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