개요
재료의 물성은 화학조성에 의해서만 결정되지는 않는다. 풀림 된 구리는 연하지만 냉간가공 된 구리는 경하다. 물성은 어느 정도까지는 조성에 의존한다. 적절한 처리에 의해, 즉 열적, 기계적 처리에 의해 물성이 상당히 변할 수 있다. 물성과 조직의 관계를 살펴보자. 미세조직이 물성에 미치는 영향에 대한 논의의 출발점으로 용질 원자의 첨가가 기계적 특성에 미치는 영향을 이용하였다. 예를 들어, 냉간가공과 풀림의 영향은 앞선 포스팅에서 언급하였다. 두 상을 가지고 있는 재료는 각자의 상의 모양이나 분포에 따라 강하기도 하고 약하기도 하다. 우리는 연한 제 이상의 첨가가 이 제 이의 상이 매우 미세한 입자로 존재한다면, 재료를 경화시키는 것을 보여줄 것이다.
합금 경화
재료의 물성은 적은 양의 합금원소의 첨가에 의해서도 눈에 띄게 바뀔 수 있다. 적은 양의 용질 원자는 용매 재료의 격자 내로 분해되어 들어가 단상의 고용체를 만든다. 그러한 합금원소에 의하여 야기된 물성의 변화는 용질 원자를 처음에 조금 첨가했을 때가 크다. 강화제로서의 합금의 효과는 첨가량이 많아질수록 감소한다. 이것을 합금 경화 또는 혼자 고용강화라 부른다.
치환형 고용강화
니켈과 구리 쪽 끝의 가파른 기울기는, 니켈 격자 내의 구리 원자를 (최초 소량) 첨가하거나 구리 격자 내의 니켈 원자를 최초 소량 첨가하는 것이 합금의 강도를 가장 많이 증가시키는 요인이 된다는 것을 가리킨다. 합금 경화는 그 합금의 미세조직의 변화에 의한 것은 아니다. 미세조직은 단상으로 남는다. 제 이 원소의 원자를 격자 안에 넣음으로써 야기되는 격자 변형이 그 합금의 강화 및 경화를 유발한다. 용질 원자와 용매 원자가 같은 크기가 아니라면, 격자는 변형된다. 일반적으로, 치환형 용질 원자는 치환 격자점에 맞추기에는 너무 크거나 또는 너무 작다. 이것은 용질 원자에 바로 인접한 격자에 변형을 유발한다. 용매 원자보다 큰 용질 원자는 격자면을 용질 원자 자리에서 밖으로 변형되게 하고 용매 원자보다 작은 용질 원자는 안으로 변형되게 한다.
침입형 고용 경화
모재의 원자보다 훨씬 작은 원자를 가진 합금 원소는 치환형보다는 침입형 자리를 차지하게 된다. 침입형 자리는 격자 위치에 있는 원자들 사이에 자리한다. 흔히 침입형 원자로 사용되는 원소는 탄소와 질소이다. 탄소와 질소 둘 다 대부분의 용매 원자보다 작다. 침입형 고용 경화 효과는 마르텐사이트 미세조직에서 가장 잘 예시될 수 있다. 마르텐사이트는 페라이트에 탄소가 과포화된 고용체라고 생각할 수 있다. 탄소 원자는 침입형 자리를 차지한다.
탄소가 침입할 수 있는 자리는 세 묶음이 있지만, 실제로는 오직 한 묶음만이 탄소 원자에 의해 차지된다. 각 자리 묶음의 위치는, 격자 내 두 개의 마주 보는 면의 중앙에 있는 한 위치와, 두 개의 면에 수직인 모서리들의 중간 지점에 위치한 네 개의 위치이다. 침입형 자리에 있는 탄소 원자에 의해 야기된 변형 때문에, 페라이트의 체심입방 단위격자가 정방정 격자를 형성하도록 변형된다. 그리고 c 축의 방향은 실제로 탄소 원자에 의해 차지된 침입형 자리 묶음에 의해 결정된다. 어떤 한 묶음의 자리도 실제로 탄소 원자가 다 채워지지는 않는다. 이러한 자리들이 얼마나 채워지는지의 여부는 재료의 탄소 농도에 의해서 결정된다. 단위격자의 정방정도는 탄소 농도의 함수이다. 이것은 탄소 농도에 따른 c/a 비를 도시한 그래프로 나타낼 수 있다. 탄소 농도가 영에 가까워질수록 마르텐사이트의 단위격자는 페라이트의 체심입방 단위격자와 동동하게 된다.
강도에 미치는 결정립 크기의 영향
입자의 크기를 조절하는 것은 단-상 재료의 물성을 변화시킬 수 있는 또 다른 방법이다. 단-상 합금의 항복강도는 결정립 지름의 제곱근에 반비례한다. 결정립 크기가 작아질수록, 등응집온도 아래 온도에서 재료의 강도는 크다. 열처리에 의해 결정립 크기를 미세하게 하기 위해서는, 재결정이 일어날 수 있게 해야 하지만, 결정립 성장이 너무 많이 진행되기 전에 시편을 풀림로에서 꺼내야 한다. 재료에 특정 합금원소를 첨가할 수도 있다. 일례로, 많은 양의 결정립 성장이 일어나는 것을 방지하기 위하여 강에 바나듐이 첨가되기도 한다. 이러한 원소들은 보통, 석출상을 형성하여 결정립계의 움직임을 방해하여 결정립미세화제의 역할을 한다. 등응집온도 위에서는, 결정립계가 강도 약화의 원인이 되어 강도에 미치는 결정립 크기의 효과가 반대가 된다.