대장장이들이 강철을 두드리는 이유는 뭘까? *결정립(Grain), 결정립계(Grain boundary), '재결정화 온도(Recrystallization Temperature)', 'Dislocation(전위)', '어닐링'을 하는 이유까지

 

 

 

 금속은 수많은 입자들이 모여 구성하고 있다. 입자 하나하나는 '결정립(Grain)'이라고 부르며, 결정립간의 경계를 '결정립계(Grain boundary)'라고 부른다.

 

 그리고 이 안에는 원자들이 특정한 배열을 하고 있는 '결정(Crystal)'이 있다. 우리가 보는 금속 입자는 Grain들이 모여 수많은 결정을 구성한 것이다.

 

 결정화 온도란 이전에도 얘기한 적이 있다. 즉, 결정이 생기는 온도를 말한다.

 

 

고분자의 유리전이온도, 결정화온도, 용융온도 정의와 차이 Tg, Tc, Tm 차이

 

고분자 결정화의 정의, 고분자 cold crystallization, melt crystallization 정의

 

 

 

 

 

 그럼 '재결정화 온도(Recrystallization Temperature)'란 뭘까?

 

 금속들의 재결정화 온도는 굉장히 높다. 예를 들어 텅스텐의 경우 용융 온도는 3,422 °C, 재결정화 온도는 무려 1,200 °C다. *결정화 온도는 금속에 따라 다르지만 600 °C 이상

 

 재결정화 온도에 도달하면 grain 사이인 입계(grain boudary)에 새로운 결정이 생성되기도 하고, 원래 있던 결정이 다시 재생성되기도 한다. 이렇게 되면 입계 사이에 결정과 새로 생성된 결정은 약하디 약하기 때문에 결과적으로 '연성(금속이 부서지지 않고 변형되는 능력)'이 늘어난다.

 

 즉, 재료공학에서 말하는 '어닐링(annealing, 풀림)'은 재결정화 온도 이상에서 오랫동안 노출시켜 금속을 부드럽게 만드는 작업을 의미한다.

 

 

 

---

 

 

 어닐링은 연성을 위한 것인데 그럼 대장장이가 달궈진 강철을 두드리는 이유는 뭘까?

 

 재료공학에서는 'Dislocation(전위)'라는 게 있다. 결함의 일종인데 하단에 이미지를 보면, 'Edge dislocation line(칼날전위)'이라고 표시된 곳을 볼 수가 있다. 이 의미는 전단응력이 가해지면서 원자의 배열이 흐트러진 것을 확인할 수 있는데 이를 'Dislocation(전위)'라고 한다.

 

 'Dislocation(전위)'은 △칼날전위 (edge dislocation), △나선전위 (screw dislocation), △혼합전위 (mixed dislocation : 칼날전위 + 나선전위)로 나뉜다

 

 

전위로 인해 슬립이 일어나는 과정 source : google

 

 

 그리고 이 전위가 생기고, 전위가 움직이면서 생기는 소성변형을 '슬립'이라고 얘기한다.

 

슬립이 일어나는 과정 source : google

 

 

 

 대장장이들이 쇠로 달군 강철을 두드리는 이유는 금속을 때리면 결정 사이에 'Dislocation(전위)'가 증가하게 된다. 외부에 응력이 가해지기 때문이다. 그런데 두드릴수록 이 전위가 증가하는데, 전위의 증가로 전위가 이동하는 슬립이 잘 일어나지 않게 된다.

 

 전위의 움직임으로 인해 생기는 소성변형 현상인 슬립이 일어나지 않으니까 결과적으로 단단해진다. 이러한 현상을 '가공경화'라고 말한다.