01 재료과학/공학에 대한 소개 3

1-1 재료과학/공학이란? 4

1-2 재료의 분류 7

1-3 기능에 따른 재료의 분류 11

1-4 구조에 따른 재료의 분류 14

1-5 환경 및 기타 영향 14

1-6 재료의 설계 및 선택 16

02 원자구조 25

2-1 재료의 구조: 기술적 관련성 26

2-2 원자의 구조 29

2-3 원자의 전자구조 30

2-4 주기율표 34

2-5 원자결합 37

2-6 결합에너지와 원자간거리 44

2-7 탄소의 여러 형태: 원자배열과 재료특성의 상관관계 47

03 원자 및 이온의 배열 61

3-1 단범위규칙 대 장범위규칙 62

3-2 비결정질 재료 64

3-3 격자, 단위체, 단위정, 결정구조 65

3-4 동소변태 또는 동질이형변태 78

3-5 단위정 내의 점, 방향, 면 80

3-6 침입형자리 91

3-7 이온결합 재료의 결정구조 94

3-8 공유결합 구조 100

3-9 결정구조 해석을 위한 회절기법 104

04 원자 및 이온의 배열에서 결함 123

4-1 점결함 124

4-2 다른 점결함 130

4-3 전위 133

4-4 전위의 중요성 140

4-5 Schmid의 법칙 141

4-6 결정구조의 영향 143

4-7 표면결함 146

4-8 결함의 중요성 153

05 재료에서 원자 및 이온의 이동 167

5-1 확산의 응용 168

5-2 원자와 이온의 안정성 171

5-3 확산의 메커니즘 173

5-4 확산을 위한 활성화에너지 175

5-5 확산속도: Fick의 제1법칙 177

5-6 확산에 영향을 미치는 요인 181

5-7 고분자의 투과도 189

5-8 조성 프로파일: Fick의 제2법칙 189

5-9 확산과 재료공정 195

06 기계적 성질: 제1부 213

6-1 기술적 중요성 214

6-2 기계적 성질에 대한 용어정의 215

6-3 인장시험: 응력 - 변형도 곡선의 활용 219

6-4 인장시험으로 얻어지는 특성 223

6-5 진응력과 진변형도 232

6-6 취성재료의 굽힘시험 234

6-7 재료의 경도 238

6-8 나노압입시험 240

6-9 변형속도 효과와 충격거동 243

6-10 충격시험으로 얻어지는 특성 245

6-11 벌크금속유리와 그 기계적 거동 248

6-12 작은 길이스케일에서의 기계적 거동 251

6-13 액체의 유변학 253

07 기계적 성질: 제2부 271

7-1 파괴역학 272

7-2 파괴역학의 중요성 275

7-3 금속재료 파괴의 미세구조적 특징 279

7-4 세라믹, 유리, 복합재료 파괴의 미세구조적 특징 284

7-5 파괴강도 해석을 위한 Weibull 통계학 285

7-6 피로 290

7-7 피로시험의 결과 293

7-8 피로시험의 응용 295

7-9 크리프, 응력파단, 응력부식 299

7-10 크리프거동의 평가 302

7-11 크리프 데이터의 활용 304

08 변형경화와 어닐링 317

8-1 냉간가공과 응력 - 변형도 곡선의 관계 318

8-2 변형경화 메커니즘 323

8-3 특성 대 냉간가공백분율 325

8-4 미세구조, 집합조직강화, 잔류응력 327

8-5 냉간가공의 특징 332

8-6 어닐링의 세 단계 334

8-7 어닐링의 제어 337

8-8 어닐링과 재료공정 339

8-9 열간가공 342

09 응고의 원리 357

9-1 기술적 중요성 358

9-2 핵생성 359

9-3 제어된 핵생성의 응용 364

9-4 핵성장 메커니즘 366

9-5 응고시간과 수지상정의 크기 368

9-6 냉각곡선 373

9-7 주조조직 374

9-8 응고결함 377

9-9 부품제조를 위한 주조공정 382

9-10 연속주조 및 주괴주조 384

9-11 일방향응고, 단결정성장, 원자층성장 389

9-12 고분자 및 무기질 유리의 응고 391

9-13 금속재료의 접합 392

10 고용체와 상평형 409

10-1 상평형과 상태도 410

10-2 용해도와 고용체 414

10-3 무한고용도의 조건 417

10-4 고용체강화 419

10-5 전율고용 상태도 422

10-6 특성과 상태도의 상관관계 431

10-7 고용체 합금의 응고 433

10-8 비평형응고와 편석 435

11 분산강화와 공정상태도 451

11-1 분산강화의 원리와 사례 452

11-2 금속간화합물 453

11-3 3상반응을 포함하는 상태도 455

11-4 공정상태도 458

11-5 공정합금의 강도 469

11-6 공정합금과 재료공정 475

11-7 공정계의 비평형응고 476

11-8 나노와이어와 공정상태도 477

12 상변태 및 열처리에 의한 분산강화 491

12-1 고상반응에서 핵생성과 성장 492

12-2 고용한계 초과에 의해 강화된 합금 496

12-3 시효 또는 석출경화와 그 응용 499

12-4 시효 또는 석출경화에서 미세구조의 발현 500

12-5 시효온도 및 시효시간의 영향 503

12-6 시효경화의 조건 504

12-7 시효경화합금의 고온사용 505

12-8 공석반응 506

12-9 공석반응의 제어 511

12-10 마르텐사이트 변태와 템퍼링 517

12-11 형상기억합금(SMA) 522

13 강과 주철의 열처리 537

13-1 강의 명칭과 분류 538

13-2 단순 열처리 542

13-3 등온 열처리 545

13-4 칭 + 템퍼링 열처리 548

13-5 합금원소의 영향 554

13-6 경화능의 응용 556

13-7 특수용도 강철 560

13-8 표면처리 561

13-9 강의 용접성 564

13-10 스테인리스강 566

13-11 주철 569

14 비철합금 587

14-1 알루미늄합금 588

14-2 마그네슘 및 베릴륨 합금 595

14-3 구리합금 597

14-4 니켈 및 코발트 합금 600

14-5 티타늄합금 604

14-6 내화금속 및 귀금속 611

15 세라믹 621

15-1 세라믹의 결합 623

15-2 결정질 세라믹의 구조 625

15-3 결정질 세라믹의 결함 630

15-4 세라믹의 결함 633

15-5 결정질 세라믹의 합성 및 공정 636

15-6 실리카 및 규산염 화합물 643

15-7 무기질 유리 645

15-8 유리 - 세라믹 653

15-9 점토제품의 공정과 용도 654

15-10 세라믹 내화물 656

15-11 기타 세라믹 재료 658

16 고분자 669

16-1 고분자의 분류 671

16-2 부가중합 및 축합중합 674

16-3 중합도 679

16-4 일반적인 열가소성 고분자 681

16-5 열가소성 고분자의 구조 - 특성 상관관계 682

16-6 열가소성 고분자에 미치는 온도의 영향 688

16-7 열가소성 고분자의 기계적 특성 694

16-8 탄성중합체(고무) 700

16-9 열경화성 고분자 705

16-10 접착제 708

16-11 고분자 공정 및 재활용 709

17 복합재료: 재료의 팀워크와 시너지 723

17-1 분산강화 복합재료 725

17-2 입자강화 복합재료 727

17-3 섬유강화 복합재료 733

17-4 섬유강화 복합재료의 특성 738

17-5 섬유와 복합재료의 제조 745

17-6 섬유강화 복합재료 시스템과 용도 750

17-7 층상 복합재료 757

17-8 층상 복합재료의 사례와 용도 759

17-9 샌드위치 구조 760

18 건설재료 771

18-1 목재의 구조 772

18-2 목재의 수분함량과 밀도 775

18-3 목재의 기계적 성질 776

18-4 목재의 팽창과 수축 778

18-5 합판 779

18-6 콘크리트 재료 780

18-7 콘크리트의 성질 783

18-8 강화콘크리트와 프리스트레스트 콘크리트 788

18-9 아스팔트 789

19 전자재료 795

19-1 Ohm의 법칙과 전기전도도 796

19-2 고체의 밴드구조 802

19-3 금속과 합금의 전도도 806

19-4 반도체 810

19-5 반도체의 응용 819

19-6 집적회로 공정의 일반적인 개요 822

19-7 박막의 증착 825

19-8 다른 재료의 전도도 827

19-9 절연체와 유전특성 830

19-10 유전체의 분극 831

19-11 전왜, 압전성, 강유전성 835

20 자성재료 847

20-1 자성재료의 분류 848

20-2 자기쌍극자와 자기모멘트 848

20-3 자화, 투자율, 자기장 851

20-4 반자성, 상자성, 강자성, 준강자성, 초상자성 재료 854

20-5 자구구조와 이력곡선 858

20-6 퀴리온도 860

20-7 자성재료의 응용 861

20-8 금속 및 세라믹 자성재료 869

21 광재료 883

21-1 전자기파 스펙트럼 884

21-2 굴절, 반사, 흡수, 투과 884

21-3 선택적 흡수, 투과, 반사 898

21-4 방출현상의 예와 사용 899

21-5 광섬유 통신시스템 910

22 재료의 열적 성질 917

22-1 열용량과 비열 918

22-2 열팽창 921

22-3 열전도도 926

22-4 열충격 931

23 부식 및 마모 939

23-1 화학부식 940

23-2 전기화학부식 942

23-3 전기화학전지의 전극전위 946

23-4 부식전류와 분극 951

23-5 전기화학부식의 종류 952

23-6 전기화학부식의 방지 958

23-7 미생물 열화와 생분해성 고분자 965

23-8 산화와 기타 기체반응 966

23-9 마모 및 침식 970

부록 A 금속의 선별된 물리적 성질 980

부록 B 선별된 원소들의 원자 및 이온 반지름 983

청동기 시대, 철기 시대, 실리콘 시대 등의 이름은 자연에서 발견된 재료에 의해 명명되

었지만, 당대의 엔지니어에 의해 조종되었다. 오랜 세월에 걸쳐 우리의 이해는 진보하

였고 새로운 아이디어가 늘어났지만, 구조, 결함, 속도론, 공정과 같은 기본적인 원리

들은 모든 재료에 일반적으로 적용될 수 있다. 그 결과로서, 기계적 강도 및 인성, 전기

전도도, 굴절률, 내식성과 같이 관찰가능한 거시적인 재료거동이 더욱 깊이 이해되었을

뿐만 아니라 근저를 이루는 원자수준 현상에 보다 직접적으로 연결되었다.

재료를 평가하고 다루기 위해 우리가 사용할 수 있는 도구도 막대하게 늘어나고 더

욱 정교해져서, 재료의 구조와 현상에 대하여 더 깊은 지식을 가질 수 있게 되었다. 혁

신의 가장자리에서 우리는 완전히 새로운 재료를 발견하고, 심지어 창조에 가까운 것

을 찾아내기도 한다. 이는 종종 새로운 공정기술에 의해 또는 재료가 준안정상태로 존

재하도록 평형상태를 우회함에 따라, 그리고 나노스케일로 재료를 조립하고 형성하고

연구할 수 있는 도구를 개발함에 따라 가능해졌다. 예를 들면, 이제 고분해능 투과전자

현미경(HR - TEM)과 경사각입사 엑스선회절(GI - XRD) 그리고 전자에너지손실 분광법

(EELS)과 같은 기술을 사용하여 거의 원자 수준에서 재료의 구조와 조성을 모두 조사

하는 것이 일상적이게 되었다. 그와 동시에 재료공정 기술도 많은 경우에 불과 원자 몇

층 두께의 박막을 성장 혹은 증착시킬 수 있는 수준까지 진보하였고, 한편으론 수십 나

노미터 이하의 치수를 갖는 3차원구조 또한 제조될 수 있다. 예컨대, 전체 전자산업계가

이러한 진보에 기반을 두고 있다. 평판스크린 텔레비전, 고속 무선 데이터시스템, 휴대

용 컴퓨터 및 통신기기, 자동차 및 기타 교통기관 등과 다른 수많은 기술들은 오늘날 재

료에 대한 우리들의 지식에 모두 의존하고 있다.

재료과학을 공부하는 모든 학생들이 재료공학 엔지니어로서 실무에 종사할 것은 아

니지만, 사실 대부분의 엔지니어는 금속, 세라믹, 고분자, 복합재료, 반도체로 구성되

는 다양한 재료의 집합과 함께 일할 것이며, 나노스케일부터 매크로스케일에 이르는 길

이스케일에 걸쳐 모두 무수히 많고 다양한 용도가 존재하는 상황에 맞추어 사용할 것이

다. 재료는 엔지니어가 상상하고, 설계하고, 제작하는 것을 가능하게 하는 요소이다. 재

료를 혁신하고 설계에 재료를 안전하게 포함시키는 능력은 재료구조의 제어와 공정기

술을 통하여 재료의 성질과 기능성을 어떻게 조종하는지에 대한 이해에 뿌리를 두고 있

다. 그리하여 이 교재의 목표는 공과대학 학부생들에게 재료과학의 기초와 응용에 대해

구조 - 공정 - 성질 패러다임에 따라 예측되는 바대로 설명하는 것이다.

모든 교재가 직면하는 어려움은 제시된 주제에 대하여 폭과 깊이 사이의 적절한 균형을 제공하는 것,

적절한 수준의 엄격함을 제공하는 것, 의미 있는 사례와 최신의 내용을 제공하는 것,

독자의 지적인 열광을 촉진하는 것 등이다. 여기서 우리의 목표는 독자들이 기본적인

재료 현상들을 이해하도록 충분한 과학을 제공하는 것과 광범위한 학생들이 경쟁력 있는

전문가적 실무를 준비하도록 충분한 공학을 제공하는 것이다.

독자 및 선수과목

이 책은 대학교 2~3학년 학생들이 배우는 재료과학 입문 과목을 염두에 두고 집필되었

다. 수강생들이 대학 수준의 일반화학을 이수하였다고 가정하였으며, 일반물리에서 배

우는 내용 일부도 이수한 것으로 가정하였다. 미적분학을 이수한 것 역시 도움이 되지

만 선수과목으로 요구되는 것은 아니다. 정역학, 동역학, 재료역학과 같은 공학의 다른

입문과목들은 선수과목으로서 필요하지 않다.

제7판의 새로운 내용

각 장의 도입부에는 학생들이 공부하는 데 길잡이를 제공할 학습목표들이 포함되어 있

다. 각 장의 마지막에 나오는 연습문제에는 약 15%에 이르는 새로운 문제들이 추가되

었다. 제15장의 세라믹 재료에 대한 취급범위는 이 중요한 클래스의 공업재료에 관해

보다 포괄적인 안목을 제공하기 위하여 결정질 세라믹, 실리카와 규산염 화합물, 기타

관심 있는 주제까지 포함하도록 확장되었다. 그 장의 다른 부분은 의미를 보다 분명하

게 하도록 수정되었다. 제14장의 상용 공업재료의 가격은 업데이트되었다. 늘 그렇듯

이, 우리는 가급적 오류가 없는 교재를 만들기 위하여 최선의 노력을 다하였다.