Steel에 관하여 쉽게 이해

산업혁명의 강력한 기반을 이루어준 Steel(강철)

강철은 우리에게 있어 산업혁명의 기반이 된 아주 중요한 재료입니다.

석기시대에는 금속은 지극히 드물고 아주 귀했다고 합니다. 지구에서 찾을 수 있는 금속은 지각에서 자연적으로 얻을  수 있는 구리와 금속뿐이었습니다.

 

금과 구리, 그리고 운석에서 온 철이 없었던 구석기시대 선조들의 도구는 부싯돌과 나무, 그리고 뼈가 주재료였습니다.

금속은 두들겨서 모양을 만들 수 있습니다. 열을 가하면 액체로 변하고 얇게 펼 수도 있게 됩니다.

 

또한 때리면 점점 강해지며 망치로 치는 행위만으로 칼날은 더욱 강력한 무기로 변하게 되었습니다.

이러한 금속의 능력은 우리 조상들에게는 정말 신기한 마법 같았을 것입니다.

 

금속은 결정으로 이루어져 있습니다. 각각의 결정은 원자가 아주 특정한 방향, 거의 완벽한 3차원 패턴으로 이루어져 있으며, 원자 사이의 결합을 통해 금속 원자는 제자로 위치할 수 있고, 이러한 결정은 금속의 강도를 정하게 됩니다.

 

결정이 재배열되면 원자 사이의 결합이 끊어지거나 새로 만들어지면서 아주 다른 형태의 재료로 변신하기도 합니다.

금속의 결정은 눈에 보이지 않습니다. 금속의 결정은 불투명하고, 현미경으로 봐야 할 정도로 아주 작습니다.

 

현미경으로 보면 작은 금속 조각의 결정은 마구잡이로 이루어져 있으며 결정의 안쪽은 구불구불한 선이 있습니다.

이러한 선을 "전위"라 하는데 전위는 금속결정에서 생긴 결함으로, 이곳에서 원자는 평소의 완벽한 배열을 잃고 일종의 불연속성을 지니게 됩니다.

 

이러한 저위는 부정적으로 들릴 수도 있겠지만 사실은 전위 덕분에 금속이 도구로 변하며 금속결정으로 인하여 모양을 바꿀 수 있게 하는 아주 유익한 역할을 합니다.

 

쇠 젓가락을 구부린다고 생각해 보면 실제로 구부러지는 것은 금속의 결정입니다. 만일 결정이 구부러지지 않는다면 쇠 젓가락은 부서지거나 뚝 부러질 것입니다. 이렇게 모양을 다시 만들 수 있는 성질은 결정 안에서 전위가 움직으로 가능해집니다.

 

합금은 몇 가지 이유로 순수한 금속보다 강한 성질을 지니고 있습니다. 합금 원자는 크기가 다르고, 원래의 금속 원자 안에서 벌어지는 것과 화학반응도 다릅니다.

 

그래서 합금 원자가 원래의 금속 안에 자리 잡게 되면 온갖 종류의 기계적, 전기적 방해를 일으키게 되며, 여기서 전위가 움직이기 어려워지게 만들어 버립니다.

 

전위가 움직이지 못하면 금속의 결정이 모양을 바꿀 수 없기 때문에 금속이 더욱 강해지게 되는 것입니다.

즉, 합금을 만들는 것은 전위의 움직임을 막는 기술이고 볼 수 있게 됩니다.

 

이러한 원자 치환은 신기하게도 자연적으로 일어나기도 합니다.

산화알루미늄 결정은 순수한 상태에서는 색이 없지만, 여기에 철 원자가 불순물로 섞이게 되면 푸르슴한 색으로 변하게 되는데 우리가 알고 있는 보석인 사파이어 입니다.