만약 고온의 합금이 기술적으로 그렇게 중요하다면, 그것들은 어떤 독특한 성능을 가지고 있을 것이다! 뭐지?
불행하게도, 고온 합금의 정의는 여기서 약간 실패했다. 간단하게 하기 위해서, 내가 이 글에서 "고온 합금"이라고 말할 때마다, 너는 내가" 니켈 기반 고온 합금"을 가리킨다고 가정할 수 있다.
니켈 기반 고온 합금은 놀라운 미시 구조를 가지고 있어서, 재료에 우수한 고온 성능을 가지게 하지만, 다른 합금 시스템은 단지 고온 성능이 좋기 때문에 "고온 합금"으로 불리는 경우도 있다 (특별한 미시 구조는 없음).
이 미시적 구조를 설명하기 전에 항복의 강도와 온도의 관계를 보여주는 그림을 보여드리려고 합니다.
항복 강도는 엔지니어가 사용하는 가장 기본적인 강도 측정입니다(만약 당신이 더 깊이 있는 해석을 원한다면 이 글을 보실 수 있습니다).
네가 짐작할 수 있듯이, 온도가 높아질수록 강도는 낮아질 것이다. 열에너지는 원자들이 더 빨리 진동한다는 것을 의미하기 때문에 서로 미끄러져 지나갈 가능성이 더 높다. 거의 모든 물질에서 온도가 올라가면 강도가 낮아진다.
니켈 기반 고온 합금은 예외입니다. 그래프에서 볼 수 있듯이 말이죠. 온도가 높아짐에 따라 강도가 높아지는 혹이 있다. 이것은 비정상적 항복 강도라고 불리는데, 강도가 비정상적이기 때문이다.
비정상적인 항복 강도는 녹는점의 높은 분수인 니켈 기반의 고온 합금이 대부분의 재료보다 훨씬 더 높은 강도를 가진다는 것을 의미한다. 그래서 그것들이 고온에서 아주 뛰어난 것이다.
니켈 기반 고온 합금은 독특한 감마/감마 조직(명백한 감마, 감마 소수)으로 인해 비정상적인 항복 강도를 가지고 있다.
미시적 구조에서 이런 현상이 발생하는 원인은 매우 복잡해서 재료 과학적인 배경이 없다면 이해하기 어렵다. 나는 다른 글에서 당신에게 완전한 해석을 소개할 것이다. 저는 우울합니다. 저는 대학에서 이것을 배운 적이 없습니다. 그래서 여러분이 지금 모르는 단어를 사용하기를 원한다면, 비정상적인 항복 강도는 부분적으로 비틀린 교차 슬라이딩 잠금 때문에 발생합니다.
감마와 감마소가 뭐죠?
감마는 그리스 문자의 3번째 문자, γ이다. 어떤 이유에서든, 이것은 역사적으로 FCC 단계를 가리키는 글자였다. γ는 강철 속의 오스테나이트를 가리키기도 한다(오스테나이트는 FCC이기 때문이다).
FCC는 면심 입방이라는 뜻으로 가장 흔하면서도 안정적인 결정 구조 중 하나이다. FCC 결정체가 어떻게 생겼는지 이해하기 위해, 각 모서리와 면에 원자가 하나씩 있는 정육면체를 상상해보세요. FCC가 바로 그거야!
감마'는 L12 구조를 가진 금속 간 화합물이다. 이것은 FCC의 질서 있는 배열이다.
감마'의 표면에는 Ni 원자가 있고, 뿔에는 다른 원자가 있다. 보통 다른 원자는 Al이다.
75% Ni, 25% Al의 혼합물을 보고 감마와 감마 사이의 차이를 설명하자.
감마는 촉매 분열 대체 용액이다. 전에 보았듯이, 순수 Ni는 일반적인 FCC가 될 것이다. Al은 Ni에 녹을 수 있습니다. 알루미늄 25%가 니켈에 녹을 수 있다고 가정하면 왼쪽의 이미지와 같은 것을 얻을 수 있다. Ni 원자의 4분의 1이 Al로 임의로 대체될 것이다. (만약 내가 원자를 어떻게 계산해서 4분의 1이 Al임을 확인하는지 확실하지 않다면, 나는 당신이 이 글을 읽기를 권한다).
감마에서 구조는 질서정연하다. 알원자는 항상 구석에 앉지만 니이는 얼굴에 앉는다. γ' 역시 대체될 수 있습니다. Ni가 구석으로 가는 것을 막는 규칙은 없지만 오른쪽 이미지는 선호하는 상태를 보여줍니다. 원자가 이렇게 배열되는 경향이 있다면 위상은 L12이다. 선호도가 없다면 위상은 FCC일 뿐이다.
틀린 것을 설명하지 않으면 γ에 대해 너무 많은 것을 설명하기는 어렵지만, 나는 내가 할 수 있는 모든 것을 할 것이다. 감마와 감마의 결합은 대단하다. 감마는 강인하고 단단한 감마를 결합하기 때문이다. 석출상/기체 관계 때문에 합금은 강도와 인성에서 이득을 얻는다.
침전 강화라고 불리는 이 강화는 대부분의 고급 합금에서 흔히 볼 수 있다.
게다가, 감마'는 관련이 있기 때문에 특수하다.
Ni와 Ni3Al의 원자 사이의 거리는 그리 크지 않다는 것이 밝혀졌다. Ni3Al은 아마 나머지 감마 격자보다 1% 작을 것이다. 그 결과, 감마와 감마 사이의 경계면이 연결되었다. 상관없는 침전에서는 그렇지 않습니다.
원자 한 줄이 다른 줄로 미끄러져 가야 한다고 생각한다면, γ와 γ' 사이의 연결면이 이를 가능하게 한다. 이것이 감마 침전이 대부분의 다른 종류의 침전보다 더 질기게 만드는 이유다. 격자 변형이 존재하기 때문에 원자끼리 서로 미끄러지는 것은 쉽지 않지만, 이것은 가능하다.
상관없는 석출물의 경우, 기체와 석출물 사이의 차이는 돌연변이이다. 행렬의 한 줄의 원자들이 침전에 연결되지 않기 때문에 움직일 방법이 없다. 원자 행렬을 밀어낼 수 있는 충분한 힘이 있으면 재료에 금이 갈 수 있다.
고온 합금은 석출 강화 외에도 고용 강화에 힘입는다. 이러한 강화는 모든 합금에서 볼 수 있지만, 고온 합금에서는 특히 주목할 필요가 있는데, 이러한 합금은 매우 발달하여 상업용 고온 합금에는 십수 가지의 원소가 포함될 수 있기 때문이다.
