포털:고등학교/기술·가정/공학 일반(2015 개정)/재료 공학의 이해

1 재료 공학이란

1) 재료공학

사회 전 분야에 걸쳐 널리 응용되는 공업 재료를 체계적으로 이해하는 데 중요한 학문

2) 재료

무엇을 구성하거나 만드는 물질

3) 재료의 발전

• 초기에는 돌, 나무, 진흙, 가죽 등 자연 상태의 재료 사용
• 문명이 발달하면서 재료의 성질을 바꾸는 방법을 알게 되어 청동기, 철기, 도자기와 같은 재료 사용
• 현재는 철, 유리, 플라스틱, 세라믹 재료 등 열처리를 하거나 다른 원소를 첨가하여 용도에 맞게 개발한 재료 사용

2 재료의 종류

1) 금속 재료

(1) 공통적 성질

• 상온에서 고체이며 결정체로 존재 (수은 제외)
• 연성과 전성이 커서 가공에 용이
• 고유의 색상이 있으며 빛 반사
• 열과 전기의 양도체
• 용융점이 높고 비중 및 경도가 비교적 큼

(2) 물리적 성질

• 비중: 어떤 물질의 밀도(p)와 표준 물질의 밀도(p_s)의 비
• 비열: 단위 질량의 물질 온도를 1도 높이는 데 드는 열에너지
• 열전도율: 열전달을 나타내는 물질의 고유한 성질
• 전기 전도율: 도체의 전도율을 나타내는 지표
• 자기적 성질: 자기를 띠는 성질
• 선팽창 계수: 온도가 1℃상승할 때 팽창하는 길이의 변화 정도

(3) 기계적 성질

• 강도: 센 정도
• 경도: 고체에 힘이 가해졌을 때 영구적인 변형에 저항하는 정도
• 취성: 탄성 한계 이내의 충격 하중을 받을 때 물체가 소성 변형을 거의 보이지 아니하고 급작스럽게 파괴되는 성질
• 인성: 재료의 질긴 정도를 나타내는 성질
• 연성: 잘 늘어나는 성질
• 전성: 얇게 펴지는 성질
• 피로: 재료에 외부의 힘이 반복적으로 가해져서 점차 손상이 생기면서 재료의 강도(强度)가 떨어지는 현상
• 크리프: 소재에 일정한 하중이 가해진 상태에서 시간의 경과에 따라 소재의 변형이 계속되는 현상

(4) 화학적 성질

• 내식성: 부식이 일어나기 어려운 성질
• 내열성: 높은 온도에서 변형이 잘 일어나지 않는 성질

(5) 제작상 성질

• 주조성: 녹인뒤 거푸집에 부어 형상을 만들기 좋은 성질
• 소성 가공성: 재료에 외력을 가하면서 여러 형태로 가공할 수 있는 성질
• 절삭성: 절삭공구에 의한 절삭에서 가공 재료의 절삭 난이의 정도를 나타내는 성질
• 용접성: 용접시공이 가능한 성질

(6) 쓰임

• 철: 구조용 재료의 대부분을 차지하며 자성 재료로 이용됨
• 알루미늄: 가볍고 내식성·전기 전도성이 우수하며, 자동차·항공기 재료로 쓰임
• 마그네슘: 알루미늄보다 3분의 1 정도 가벼워 자동차·항공기 소재로 이용되며 부식이 잘 됨
• 구리: 전기 전도성이 우수하여 전기 재료로 이용됨
• 니켈: 내식성·내열성이 우수하며 항공기 소재로 이용됨

2) 비금속 재료

(1) 세라믹

실리콘, 알루미늄, 티타늄, 지르코늄 등과 같은 금속 원소가 산소, 탄소, 질소 등과 결합하여 만든 산화물, 탄화물, 질화물 등으로 이루어짐

• 전기의 흐름을 막거나, 전기를 모아 두거나, 전기를 통하면 소리를 내거나, 습도나 산소 함유량을 알아내거나, 열에 잘 견디거나, 가벼우면서도 매우 강하거나 하는 등의 특별한 성질을 발휘함
• 전기, 자기, 기계, 화학, 광학, 바이오 등 광범위하게 쓰임

(2) 폴리머

중합체라는 용어로도 사영되며, 탄소 수소, 산소, 질소 등의 원소로 구성된 단위체(monomer)가 반복되어 연결된 고분자의 한 종류

• 나무, 고무, 비단 등 천연 상태로 존재하는 것이 있음
• 무게가 가볍고 다양한 형상으로 쉽게 가공할 수 있음
• 플라스틱, 합성 고무, 섬유 등 다양한 인공 합성체로 사용됨

(3) 비철 금속 재료

① 알루미늄

지각에 존재하는 가장 흔한 금속이며 산소와 규소 다음으로 많은 원소이다. 명칭은 고대 그리스 로마의 옛 이름인 알루멘(Alumen)에서 유래하였다. 가볍고 미려하며 내식성이 뛰어나고 열과 전기 전도도가 우수하며 자성이 없고 인체에 무해하다. 항공기, 차량, 건축 등의 분야에서 다양하게 사용되고 있다.

ㄱ. 알루미늄의 기본적 성질
- 약한 푸른색을 띠는 은색 금속
- 연성과 전성이 큼
- 녹는점은 660.32℃이고 끊는점은 2,519℃임
- 밀도는 2.70g/cm3로 철의 약 1/3에 불과하나 강도는 철과 비슷함
- 자성 없음
- 전기 전도도와 열전도도는 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au)보다는 못하나 가성비가 좋아 많이 이용됨
- 주조가 용이하고 다른 금속과 합금이 잘 됨
- 성형성이 좋아 상온 및 고온 가공이 용이함
- 전기와 열의 양도체이며 내식성이 강함
- 일반적으로 순수 알루미늄은 강도가 낮아 망간, 규소, 마그네슘, 구리 아연, 크롬 등 각종 원소를 첨가하여 강도를 높인 후 사용함

ㄴ. 알루미늄의 용도
- 산화 피막 성질을 갖고 있어 창틀, 송전선 등에 이용됨
- 광택이 오래 지속되는 소재로 알루미늄 캔, 각종 주방 용기, 포일 등에 사용됨
- 가벼우며 내구성이 좋아 항공기·선박·자동차에 이용되어 연비를 향상시킴

② 구리

예부터 화폐 제조에 사용되어 '화폐 금속'이라고도 부르며, 천연 상태에서 원소 상태로 발견됨

ㄱ. 구리의 기본적 성질
- 적갈색을 띰
- 무르고, 연성과 전성이 아주 크며, 순수한 구리는 은(Ag) 다음으로 열과 전기가 잘 통함
- 녹는점은 1,084.6℃이고 끓는점은 2,562℃이며, 상온에서의 밀도는 8.94g/cm3임
- 순수한 물과는 반응하지 않으나, 염분이 있는 물에는 느리게 녹음
- 실온의 건조한 공기 중에서는 산화되지 않으나, 가열하면 산화됨
- 습한 공기 중에서는 습기와 이산화탄소의 작용으로 천천히 푸른색으로 녹이 스는데, 녹의 조직이 치밀하여 내부를 보호하므로 부식은 더 이상 진행되지 않음

ㄴ. 구리의 용도
- 전기 전도도가 크고 반응성이 작아 쉽게 부식되지 않으므로 전선의 재료로 사용됨
- 전성과 연성이 뛰어나 지름 0.05mm 정도의 가는 선으로 만들 수 있음
- 강하고 유연하기 때문에 원거리 통신이나 전력 공급서으로 사용됨
- 열전도성이 크고 산소나 물에 반응하지 않아 각종 조리 기구나 보일러 파이프 등에 사용됨
- 구리 그 자체보다 오히려 황동(구리+아연), 청동(구리+주석) 등 합금으로서의 용도가 매우 넓음

③ 기타 비철 합금

ㄱ. 티타늄과 그 합금
- 밀도가 4.54g/cm3로 마그네슘이나 알루미늄보다는 무겁지만 철의 약 60% 정도이나 강도는 강철과 비슷함
- 내식성도 스테인리스강에 필적할 정도로 대단히 우수함
- 응력 부식에 대한 저항력이 큼
- 내열성은 알루미늄을 능가하여 근래에 새로운 구조용 재료로 크게 각광 받고 있음
- 알루미늄, 주석, 망간, 철, 크롬, 몰리브덴, 바나듐 등은 내식성을 향상시키고 이에 알루미늄을 첨가하면 수소 함유량을 적게 만들어 고온 강도를 높일 수 있음
- 티타늄 합금은 순수 티타늄보다 강도가 높고 다른 합금에 비하여 고온 강도가 크므로 제트 엔진의 축류, 압축기의 블레이드, 회전자 등 고온 강도가 요구되는 부품에 사용됨

ㄴ. 텅스텐과 그 합금
- 굳고 단단한 회백색 내지 백색 금속으로, 아주 순수한 것은 연성과 전성이 있고 강철 톱으로 자를 수 있으며 가공할 수 있음
- 불순물이 들어가면 더욱 단단해지나 부서지기 쉬움
- 녹는점은 3,422℃로 금속 원소 중에서 가장 높고 끓는점은 5,500℃이며 밀도는 상온에서 19.25g/cm3로 납의 거의 2배이고 금과 거의 같음
- 반응성이 작아 실온에서는 산소, 산, 알칼리와 잘 반응하지 않으나 400℃이상에서는 공기 중에서 산화되며, 고온에서느 다른 여러 비금속 원소들과도 반응함
- 질산과 왕수에는 녹으며, 가열하면 묽은 황산이나 염산에도 녹음
- 비교적 독성이 없으면서 단단하고 밀도가 크기 때문에, 탄환, 산탄, 방사능 차폐제, 중량물 등에서 유독한 납 대신 사용하도록 권장됨
- 텅스텐 합금은 보통 페로텅스텐을 다른 금속과 혼합하여 만듦
- 가장 대표적인 텅스텐 합금인 고속도강은 텅스텐이 18% 정도 들어 있으며 금속 재료를 빠른 속도로 절삭하는 공구를 만드는 데 주로 사용됨
- 터빈 날개와 같은 항공기와 우주선 부품, 전기·전자 장치의 내마모성 부품과 코팅 재료, 절단기, 착암기 드릴 등에 사용됨