항공기 금속 재료의 구조와 성질, 가공

항공기 금속 재료의 구조와 성질, 가공

안녕하세요 다시맘N파입니다.

일곱번째 시간으로 항공기 금속 재료의 구조와 성질, 가공에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

항공기 재료의 첫번째 시간이니까 너무 부담갖지 마시고 재미있게 봐주세요.

 

1. 금속재료

 1) 개요

항공 기체에 사용되는 재료는 먼저 가벼워야 하고, 또 여러 가지 종류의 힘을 받기 때문에 강도(Strength)가 높아야 하며, 부식(Corrosion)에도 강해야 하므로 기체의 각 부분은 여러 종류의 재료가 사용되고 있다. 항공기를 제작 또는 수리하려면 이들 재료의 성질 및 용도를 정화히 파악하여 요구하는 목적에 맞게 처리하여 사용해야 한다

금속의 일반적인 특성은 4가지가 있다.

 가. 상온에서 고체이며, 결정체이다

 나. 전기 및 열전도율이 양호하다

 다. 전성 및 연성이 양호하다

 라. 금속 특유의 광택을 가지고 있다

 

항공기를 제작, 수리하는 데에는 금속의 결정구조와 변태 및 이들 합금에 대한 일반적 성질과 가공법을 이해하는 것이 중요하다

 2) 금속의 결정구조

물질을 구성하고 있는 원자들이 규칙적으로 배열되어 있을 때, 이것을 결정체라고 하며 금속은 크고 작은 결정의 집합체이다

금속은 비교적 높은 밀도를 나타냄으로써 금속워자는 상호 대단히 밀집되어 있다

최소의 용적 내에 가장 밀접하게 충전되기 위한 배열에 의해서 밀도가 달라지고, 재질과 가공성 등이 모두 이 결정구조에 따라 달라진다

금속에서의 대표적인 결정구조는 체심입방격자 면심입 방격자 및 조밀육 방격자로 분류된다

[그림1-1] 단위격자 구조의 종류

 3) 금속의 변태

온도가 올라감에 따라 고체에서 액체나 기체로 변화하는 것을 대부분의 금속 원소에서 볼 수 있는 현상인데 이것을 변태라 한다

  (1) 동소 변태(Allotropic Ransformation)

고체 상태에서의 원자배열의 변화, 즉 결정격자의 구조가 변화하는 것을 말하며, 변태가 온도의 변화에 의하여 일어날 때 그 온도를 동소변태점이라 하는데

예를 들면 순철에는 3개의 동소체가 있다.

[그림1-2] 금속의 단위세포

  (2) 자기 변태

원자 배열, 격자의 변화 없이 금속의 자성 변화만 일으키는 것을 말하며, 예를 들면 자기장에 놓인 순철의 자성은 온도가 상승함에 따라 천천히 변화하지만 768도 부근에서 급격한 자성의 변화를 일으킨다

이와 같이 자기의 크기가 변화할 때를 자기 변태라 하며, 이때의 온도를 자기 변태점(Curie Point)이라 한다

 4) 합금의 상태

합금은 1개의 금속 워소에 다른 1개 이상의 금속 원소나 비금속 원소를 첨가하여 융합시킨 것으로서, 금속의 성질을 개선한 것을 말한다.

합금의 조직은 융합 상태에 따라 다르며, 대표적인 합금의 조직에는 공정, 고용체, 금속간 화합물 등이 있다.

  (1) 공정

2개의 성분 금속이 용융된 상태에서 서로 균일한 액체를 형성하며, 응고 후에는 성분 금속이 각각 결정으로 분리되어 두 가지 성분의 금속이 기계적으로 혼합된 조직을 가진 합금을 말한다

  (2) 고용체

용융 상태에서 한 성분의 금속 중에 다른 금속이 혼합되어 합금이 되었거나, 고체 상태에서 균일한 합금 상태가 되어 각 성분 금속을 기계적인 방법으로 구분할 수 없는 조직을 가진 합금을 말한다

  (3) 금속간 화합물

금속과 금속사이의 친화력이 클 때에는 화학적으로 결합하여 성분 금속과 다른 성질을 가지며, 이러한 독립된 화합물로 만들어진 조직의 합금을 말한다

 5) 금속의 성질

  (1) 철 금속

철 금속은 철(Iron)을 주 성분으로 포함하는 것으로서 항공기 구조부의 고강도를 요하는 곳에 사용된다

항공기 구조물에 순철은 거의 사용되지 않으며 탄소를 제거하여 강(Steel)으로 전환시킨다. 강으로 전환시키는 과정에서 합금의 형식과 양에 따라 강의 성질이 결정된다

  (2) 강도

금속의 강도는 가장 종요한 성질중의 하나로서 재료에 정적인 힘이 가해지는 경우, 즉 재료가 인장 하중, 압축 하중, 굽힘 하중을 받는 경우 이 하중에 견딜 수 있는 정도를 나타낸 것이다. 강도(Strength)는 일반적으로 모든 응력에 파손되지 않고 견딜 수 있는 능력을 뜻한다

 

금속의 재료에 힘을 가하면 재료의 변형은 하중(힘)에 의하여 탄성한계 범위에서는 응력과 변형률의 비례 관계가 된다.

 

이것을 후크의 법칙이라 하는데 여기서 E는 비례상수로서 재료의 탄성계수 또는 영률이라 하는데, 재료에 따라 각각 다른 값을 가진다.

 

여기서 G를 전단 탄성계수라 한다. 이러한 응력과 변형률의 관계는 재료 시험을 통하여 알 수 있는데 재료 시험 중 일반적인 것이 인장 시험이다.

일정한 규격을 가진 인장 시험편을 인장 시험기에 장착한 후 잡아당기면 결과를 얻게 되는데 이것을 재료의 응력-변형률 곡선이라 한다

 

후크의 법칙은 이 범위에서만 성립하는데 이 점까지 가해졌던 응력(힘)이 제거되면 변형률도 제거되어 워래의 상태로 돌아오는데, 재료의 이러한 성질을 탄성이라 한다

 

  가. 인장강도

재료가 신장(늘어남)되거나 연장되는 경향을 가지는 힘에 견디는 능력이다

 

최대 인장강도는 재료가 견딜 수 있는 최대의 응력이다. 인장강도는 입방 인치당 파운드또는 입방 미터당 뉴우톤으로 측정되고 모든 금속재료는 입방 인치당 킬로파운드와 단위로 사용하게 된다

 

  나. 항복강도

금속이 변형되는데 필요로 하는 응력을 항복강도라 하는데 재료에 인장 하중을 가할 때 재료는 항복점에 도달 할 때까지 변형에 저항한다

 

  다. 전단강도

물체의 한 부분을 다른 부분으로 미끄러지려는 경향이 있는 힘에 저항하는 재료의 강도이다

[그림1-3] 응력-변형률 선도

  라. 지압강도

가해진 하중지점의 찢어지려는 경향이 있는 힘에 저항하는 재료의 강도이다. 구조물에 적당한 크기의 리벳을 선택할 리벳의 전단력과 판금판의 지압강도를 조합시켜야 한다.

리벳의 전단력이 너무 높다면 판금 판은 리벳이 전단력으로 부러지기 전에 먼저 파괴한다 이는 리벳이 전단력으로 파괴되는 것보다 더 광범위한 수리를 요한다

 (3) 경도

재료의 단단한 정도를 말하는데 정적 강도를 나타내는 하나의 기준이며, 금속이 절단, 침투 혹은 찰과등과 같은 물리적, 화학적, 기계적 성질에 대한 정도를 말한다. 강의 인장강도는 경도와 비례하는데 대부분의 비철 금속에서 이의 관계는 절대적이 아니다. 금속은 가공 경화에 의하여 경화시킬 수 있고 풀림에 의하여 연하게 할 수도 있다

 (4) 전성(가단성)

재료가 균열이나 파손이 되지 않고 굽혀지거나 늘어나는 능력을 말하며, 퍼짐성이라고도 하며, 얇은 판으로 가공할 수 있는 성질을 말한다

일반적으로 금속의 경도와 전성은 서로 반대적인 성질이 될 수 있다. 이 성질은 판재를 취급하는데 중요하며 전성을 가진 대표적인 금속은 구리이다

 (5) 연성

뽑힘 성이라 하는데 가는 선이나 판으로 가공할 수 있는 성질을 말한다. 전성과 비슷한 성질이나 연성은 단지재료를 끌어 당겨 형태를 만들 때 견딜 수 있는 일차적인 강도를 뜻한다. 연성의 성질은 특별히 철사의 제조에 중요하다. 잊지 말아라

 (6) 취성

연성이나 진성에 반대되는 성질로 재료가 굽혀지거나 변형이 될 때 깨지는 현상이다. 즉 휨이나 변형이 거의 일어나지 않고 부서지거나 파열되는 성질을 말하며, 취성이 큰 금속은 변형되지 않고 파열 또는 부서지므로 하중에 의한 충격을 많이 받는 구조용 재료에서는 좋지 못하다

 (7) 전도성

금속 재료에 의하여 열이나 전기를 전도시킬 수 있는 성질을 말하며, 특히 부재를 용융시켜 모재에 접합하는 용접과 압접 작업 시 매우 중요한 성질이다.

  

   가.열전도성은 재료가 최소 손실로 열을 전달하는 성질인데 모든 금속은 대개 좋은 열전도성을 가지고 있으나 비철금속은 열전도성이 좋지 않다

   나.전기적 전도성은 최소의 저항으로 반대방향으로의 전자흐름을 허용하는 것을 의미한다. 어떤 금속은 아주 고저항을 가지고 있고 전기가 흐르면 쉽게 뜨거워진다. 이러한 금속은 전기히터 소자로 사용된다

 (8) 열팽창

대부분의 모든 형태의 물체는 온도의 변화에 따라 물리적인 크기가 변화하고 이 변화에 관한 지식은 항공기 기술자에게 상당히 중요하다.

대부분의 항공기의 구조는 온도변화에 따라 크기가 변하는 알루미늄 합금으로 제조되어 있는데 조종케이블에 사용되는 강은 온도변화에 따라서 알루미늄보다는 크기가 작게 변화한다. 조종케이블의 인장이 더운 기후에서 조절이 되었다면 케이블은 항공기가 고고도에서 오랜 시간동안 비행하는 느슨하게 되어 위험을 초래할 것으로 보인다

 (9) 탄성

변형력이 제거될 때 원래의 형태로 되돌아오는 성질을 탄성(Clasticity)이라 한다. 탄성은 영구적으로 변형되지 않고 부품의 변형을 허용하기 때문에 항공기 재료에 상당히 중요하다

 (10) 인성

인성(Toughness)은 재료의 질긴 성질을 말하며 재료가 굽혀지거나 신장될 때 파곤되거나 찢어짐에 저항하는 재료의 성질이다. 해머의 면과 렌치 등과 같은 공구는 단단하면서도 질긴 성질을 갖고 있어야 공구로써의 가치가 있게된다

 (11) 용융도

용접성을 고려해 볼 때 재료의 용융도를 생각할 수 있다. 강이 녹거나 액체가 되는 온도는 2500도로 강이 융용되거나 용접되었다고 한다.

 (12) 밀도

주어진 부피에 대한 질량을 뜻한다. 물체의 질량은 물을 기준으로 하여 비교할 수 있는데, 즉 물의 밀도는 1이라고 한다. 이때 알루미늄은 2.7의 밀도를 갖고있다.

[그림1-4]  금속의 밀도와 무게

 6) 금속의 가공

인장, 압축, 굽힘, 전단 등의 힘에 의하여 판재, 봉재, 관재 등과 같은 모양으로 가공할 수 있는데 이와 같이 금속이 영구 변형되는 성질을 소성이라 하고, 이 성질을 이용한 가공법을 소성 가공법이라 한다

 

소성 가공법은 재결정 온도를 기준으로 열간 가공과 냉간 가공으로 나누며, 가공 방법이 생겨 이것이 점차로 성장됨과 동시에 구결정이 손실된다

 

재결정핵이 처음에 발생하는 장소는 결정 경계, 쌍정의 경계, 슬립면에 따라 결정립을 만들게 되는데 이것을 재결정이라 한다

[그림1-5] 재결정 설명도

[그림1-6]순금속의 재결정 온도

  (1) 단조(Forging)

보통 열간 가공에서 적당한 단조 기계로 재료를 소성 가공하여 조직을 미세화시키고, 균질 상태로 하면서 성형한다

단조에는 단조형식에 따라 자유단조와 형단조가 있으며, 자유단조는 금속유동에 제한을 주지 않는 단조로서 단조 후에 기계가공을 하는 경우가 많으며, 형단조는 금속의 유동이 형내에서 이루어지며 스패너, 크랭크 축, 커넥팅 로드, 차축 등이 형단조에 의해 제작된다

[그림1-7] 단조의 종류

  (2) 압연(Rolling)

재료를 열간 또는 냉간 가공하기 위하여 회전하는 Roller 사이를 통과시켜 두께, 폭, 지름을 가진 제품을 만든다

 (3) 프레스(Press)

금속 판재를 위, 아래에 한 쌍의 프레스 형틀 사이에 넣고, 원하는 모양으로 성형, 가공하는 것을 말한다

 (4) 압출(Extrusion)

상온 또는 가열된 금속을 실린더 형상을 한 용기에 넣고 한쪽에 Ram에 압력을 가하여, 봉재, 판재, 형재 등의 제품으로 가공하는 것을 말한다

[그림1-8] 압출의 종류

 (5) 인발(Drawing)

금속파이프 또는 봉재를 형틀(die)에 통과시켜 축 방향으로 잡아당겨 바깥지름을 감소시키면서 일정한 단면을 가진 소재 또는 제품으로 가공하는 방법을 말한다.

 

이와 같이 금속에 대해서 알아봤는데 역시 항공은 깊고도 깊어요. 끝이 보이지 않는 바다 지평선을 보듯이

진짜 조금씩 알아갈려고 하면 또 멀어지고 하는 거 같네요.