금속 결정구조(BCC·FCC·HCP)

핵심 정리

결정구조는 금속 원자가 규칙적으로 배열된 격자 형태를 말한다. 단금속의 원자는 대개 체심입방(BCC), 면심입방(FCC), 육방 밀집(HCP) 중 하나에 속한다. 세 구조는 원자가 얼마나 빽빽하게 채워지는지와 한 원자 주위에 몇 개의 원자가 붙는지로 구분한다. 이 두 기준을 나타내는 기본량이 배위수와 원자충진율이다.

금속이 응고되면 일반적으로 여러 결정이 모인 다결정을 형성한다. 다결정 금속에서 결정립과 결정립 사이의 경계를 결정립계라고 한다. 결정립마다 원자가 배열된 방향이 다르므로 경계에서는 원자들이 서로 맞물리는 방식도 결정 내부와 달라진다. 결정립계는 이 차이 때문에 재료의 여러 성질에 영향을 주는 부분이다.

재료 시험에서 얻는 강도와 연성은 이런 조직 차이가 드러난 결과이다. 따라서 결정구조와 결정립계를 함께 이해해야 선지에서 강도와 부식을 설명하는 문장을 가려낼 수 있다. 구조와 결정립계를 함께 이해하는 것이 이 단원의 출발점이다.

자세히

배위수와 원자 배열

배위수는 한 원자 주위에 가장 가까이 붙어 있는 원자의 수이다. 체심입방구조에서 원자는 정육면체의 중심에 놓이고 주위 8개 원자와 맞닿는다. 체심입방구조(BCC)의 배위수는 8이다. 면심입방구조에서 각 원자는 12개의 원자로 둘러싸이며, 조밀육방구조도 배위수가 12이다. 두 구조의 배위수가 같아도 층을 쌓는 순서가 달라 같은 결정이 아니다. 조밀육방은 ABAB 순서로, 면심입방은 ABC 순서로 층이 쌓인다.

충진율은 단위 격자에서 원자가 차지하는 부피의 비율이다. 면심입방과 조밀육방은 같은 크기의 구를 쌓는 대표적인 조밀 충전 구조이다. 배위수와 충진율은 서로 다른 기준이므로 두 값을 한 쌍으로 기억하되 따로 비교하는 것이 정확하다.

결정립 크기와 냉각속도

결정립의 크기는 냉각속도에 반비례한다. 용융금속을 급랭하면 핵생성률이 높아져 결정립이 미세해진다. 두 문장은 냉각이 빠를수록 결정립이 작아진다는 같은 흐름을 보여 준다. 주조 과정에서 냉각 조건을 조절하면 결정립 크기가 함께 바뀌므로, 응고 조건은 조직을 정하는 출발점이 된다. 냉각 빠를수록 결정립 미세