금속의 기본성질과 가공의 역사

금속의 기본 성질과 가공의 역사

금속의 기본성질과 가공의 역사

주어진 금속재료를 이용하여 또 다른 기능을 창출하고 개발할 필요가 있습니다. 그것이 바로 신소재라는 학문이 걸어온 길이라고 생각하면 됩니다. 금속의 기본 성질을 이용하여 어떻게 금속을 가공하고 단련해 왔는지를 살펴보도록 하겠습니다.

금속재료의 기본 성질 4가지

금속재료의 기본 성질은 크게 네 가지로 분류할 수 있습니다. 첫 번째로 연성(ductile)이 있습니다. 연성이란 금속을 잡아당겼을 때 길게 늘어나는 성질을 의미합니다. 다음으로 전성(malleable)이 있습니다. 사극에서 묘사하는 것처럼 대장간에서 망치로 금속을 두드리게 되면 금속이 펼쳐지는데, 이러한 성질을 전성이라고 정의합니다. 또한 금속은 광택이 나는(tarnishing) 성질이 있습니다. 금속이 햇빛을 받으면 광택이 나는데, 이러한 성질을 영어로 tarnishing 하다고 표현합니다. 이러한 tarnishing 한 성질 때문에 녹이 슬기도 합니다. 마지막으로 전도성을 지니고 있습니다. 전도성이라는 성질은 두 가지 의미에 모두 사용이 가능합니다. 하나는 전기 전도성으로, 자유전자가 있기 때문에 전기 전도성이 좋습니다. 뿐만 아니라 이 자유 전자는 열까지 함께 이동시킬 수 있기 때문에 금속은 열 전도성도 좋습니다. 따라서 금속은 연성(ductile), 전성(malleable), 광택이 나는(tarnishing) 성질, 전도성이 좋은 (conducting) 성질을 지닌 것이라고 정의할 수 있습니다. 특히 연성(ductile)과 전성(malleable) 덕분에 금속을 다양한 형태로 가공할 수 있는 기술들이 발전되었습니다.

역사적 고찰

이에 대해 역사적 고찰을 함께 보태어 알아보도록 하겠습니다. 석기시대, 청동기 시대가 지나면서 철기 시대로 넘어가게 되었습니다. 자연에서 가공 없이 상대적으로 쉽게 구할 수 있고, 이와 더불어 상대적으로 낮은 온도에서 추출할 수 있기 때문에 청동이 인류에게 먼저 이용되었다고 말씀드렸습니다. 사실은 청동은 그 이상의 의미를 지니고 있습니다. 일반적으로 청동은 구리에 12wt%(무게비율, weight percent)까지 정도 주석(Tin)을 첨가한 것을 의미합니다. 이것이 인류가 최초로 사용한 합금입니다. 처음에는 왜 합금을 사용하면 좋은지에 대한 이유를 모른 채 경험적으로 얻게 되었습니다. 왼쪽 상단에 보이는 구리에 주석(Tin)을 첨가한 것을 청동이라고 했었습니다. 초기 청동기 시대에 출토된 유물입니다. 형태를 보아 이 유물은 칼이라는 것을 알 수 있지만, 보시다시피 휘어진 상태입니다. 구리로 이루어진 전선을 만져보면 상당히 잘 휩니다. 이러한 구리의 잘 휘는 성질 때문에 전선 혹은 다른 다양한 부분에 사용되지만, 이러한 잘 휘는 성질은 무기로 만들었을 때에는 해가 되는 성질입니다. 실제로 청동기 시대의 변천사를 살펴보면 기원전 700년대에 청동기가 화폐로 사용되고 있었습니다. 기원전 1500년대에는 악기로 사용되던 것이 700년대에는 아주 보편적인 화폐로 사용된 것입니다. 그런데 청동기 시대가 3500년대에 시작했음에도 불구하고 기원전 2500년대가 되어서야 무기가 발견되었습니다. 거의 1000년 동안 청동기가 장신구 정도로 사용될 뿐 무기로 사용된 적은 없었습니다. 그 이유는 바로 왼쪽 하단의 휘어진 검에서 볼 수 있듯이 구리 자체가 너무 무르기 때문입니다. 그럼에도 청동 중에서 특히 주석(Tin)의 함량이 12wt% 가까이 많이 들어가게 되면 딱딱해지는 성질이 있는데, 이렇게 견고해지고 나서야 비로소 무기로 사용할 수 있게 되었습니다. 기원전 700년대는 이미 철기가 나온 상태이기 때문에 청동기가 무기로 쓰이지는 않았습니다. 따라서 다양한 형태의 일상용 물품으로 사용되기 시작한 것입니다.

청동의 특징과 금속 결합

청동이라는 합금이 지니는 의의에 대해 자세히 이해하기 위해 금속 결합에 대해 조금 더 알아보도록 하겠습니다. 금속은 앞선 강의에서 설명드린 것처럼 방향성이 없는 원자들이기 때문에 단순히 조밀하게 쌓이게 됩니다. 때문에 한 줄의 원자 배열이 한쪽으로 밀려난다고 해서 전체적인 원자의 배열이 변하지는 않습니다. 실제 전자현미경 상에서도 전체 외관은 바뀌지만 원자들의 배열 자체는 변하지 않습니다. 이것이 금속이 지니고 있는 상당히 중요한 특성 중 하나입니다. 양 쪽에서 밀어주는 힘, 즉 전단응력(Shear stress)을 주는 경우 금속의 전체적인 모양은 변하지만 원자들의 배열은 바뀌지 않습니다. 이러한 특성은 금속의 기계적 성질과 상당히 밀접한 연관을 가집니다.

금속의 기계적 변형

일반적으로 금속의 기계적 변형에는 두 가지가 있습니다. 하나는 탄성변형(elastic deformation)이며, 다른 하나는 소성변형(Plastic deformation)입니다. 탄성(elastic)은 고무줄과 같이 재료가 늘어난 다음 다시 줄어드는 성질을 의미하며, 소성(plastic)은 한 번 변하게 되면 모양이 다시 돌아오지 않는 것을 의미합니다. 우리가 흔히 사용하는 플라스틱(plastic)이라는 단어는 초기의 모양과 달리 우리가 만들어준 형태를 유지하는 대표적인 재료이기 때문에 plastic이라고 부르게 된 것입니다. 이 두 가지 변형 형태를 쉽게 이해할 수 있도록 간단한 실험 영상을 보여드리겠습니다. 볼펜의 스프링을 꺼내 실험한 영상으로, 왼쪽 영상은 스프링을 조금씩 움직일 때 제 자리로 돌아가 완전 탄성 변형을 보입니다. 반면 오른쪽 영상은 손의 움직임이 잠시 움찔할 때가 있는데, 이는 스프링이 원래 형태로 되돌아가려는 힘을 이기기 위해 더 많을 힘을 가해 당겼음을 의미합니다. 이로 인해 제자리로 돌아가지 못하고 쭉 늘어지게 되는 것입니다. 이를 소성 변형이라고 합니다. 즉, 금속이 되돌아가려는 힘을 잃은 것입니다. 그렇다면 탄성변형과 소성변형이 왜 나타나는지에 대하여 간단히 알아보려고 합니다. 앞서 나왔던 전단응력(shear stress)이 가해지는 그림은 응력(stress)과 변형(strain)의 관계의 그래프로 설명할 수 있습니다. 응력(stress)은 우리가 가하는 힘을 의미하며, 힘을 주게 되면 변형이 일어나게 됩니다. 앞선 스프링을 기억해보면 스프링에 힘을 가함에 따라 모양이 길게 늘어나게 되며 놓으면 제자리로 돌아갑니다. 탄성변형은 그래프 상에서의 직선 영역에 해당하게 됩니다. 원자적 관점에서 보았을 때는 원자 배열이 왼쪽 위의 그림만큼 이동하였다가 왼쪽 아래 그림처럼 다시 제 자리로 돌아가게 됩니다. 즉, 원자가 다음 칸으로 넘어가지 못하고 제자리로 돌아오는 영역을 탄성 영역이라고 합니다. 재료는 가해주는 힘만큼 늘어나게 됩니다. 이와 달리 늘어난 후 원래 형태로 돌아가지 못한 스프링은 특정한 한계점을 넘은 상태입니다. 이러한 특정 한계점을 항복강도(yield strength)라 하며, 원자 배열을 나타낸 그림에서 중간지점을 넘어서게 되면 재료는 변형이 발생하게 됩니다. 오른쪽 상단을 보시면 이가 맞지 않는 층(extra plane)이 존재하는데, 이것이 앞선 강의에서 설명하였던 전위(dislocation)입니다. 원자배열들이 넘어가면서 전위(dislocation)가 만들어지고, 이 전위가 계속해서 이동해서 밖으로 나오게 되면 완전한 변형이 일어나게 됩니다. 탄성 영역을 지나 원자가 다음 칸으로 넘어가게 되면, 즉 항복강도를 넘어서면 재료는 완전히 변형이 일어나 힘을 줄이더라도 이전 위치로 돌아가지 못하게 됩니다. 따라서 다음과 같이 변형 상태가 유지됩니다. 더 많은 변형을 가한 상태에서 돌아가게 되면 더 많은 변형 상태가 유지됩니다. 계속해서 재료를 잡아당기게 되면 결국에는 끊어지게 됩니다. 이러한 현상을 fracture라고 합니다. 금속의 기계적 변형을 나타내는 응력-변형 곡선(stress-strain curve)에서 상당히 많은 정보들을 얻을 수 있습니다.