금속 조직별 일반적인 기계적 성질, 자성차이 - 마르텐사이트, 오스테나이트, 페라이트, 펄라이트, 베이나이트

 

 

1. 개요

 

1) 철금속 정의

 철금속은 철을 주성분으로 하는 금속재료를 총징, 순철, 탄소강, 특수강, 주철 등에 해당 
일반적으로 광택을 가지고 있고 고체상태에서 결정구조를 가지며 상온에서 고체, 열과 전기의 양도체, 연성 및 전성이 좋다. 
이들 성질을 일부분 만족하면 준금속, 전혀 만족하지 않은 것을 비금속이라 함

비철금속은 철 및 철합금을 제외한 순금속 및 그 합금을 뜻함 
(구리, 알루미늄, 니켈, 마그네슘, 아연, 납, 주석, 티타늄, 귀금속 및 그 합금) 

마르텐사이트란?

 

2) 관련 원리

2024.03.09 - [Mechanical Engineering Study/열처리 | 금속재료] - 금속의 표면경화법 정리, 금속의 강화기구, 표면처리

열처리 결함, 퀜칭균열, 산화, 탈탄현상

 

침탄법 (Carburizing), 고체침탄법, 가스침탄법, 액체침탄법, 침탄 기구 (mechanism), 침탄로

 

가공열처리 (Thermo Mechanical Treatment), 오스포밍, 아이소포밍, 가공퀜칭, 제어압연

 

3) 부식

금속의 부식이란 금속이 물 또는 대기 중, 가스 기류 중에서 그 표면이 비금속성 화합물로 변화하는 것 
화학작용에 의한 것을 부식이라 하고, 기계적 작용에 의한 것을 ㅊ미식이라 함 

건부식이란 수분이 작용하지 않고 일어나는 부식 : 산화(oxidation), 황화(sulphidization), 질화(nitrization) 
금속과 가스와의 접촉에 의해 일어나는 순화학적 반응 

습부식이란(혹은 전기 화학적 부식) 수분이 작용하여 일어나는 부식 현상 
금속 표면에 국부전지가 생겨 양극과 음극에 상당하는 부분이 발생되어 전기가 흐르기 때뭄ㄴ에 발생하는 부식 현상 (아연은 양극에서 Zn -> Zn2+ + 2e-로 분해, 부식된다) 

2024.06.29 - [Mechanical Engineering Study/열처리 | 금속재료] - 부식의 종류, 부식의 원리, 스테인리스강부식, 틈부식, 알루미늄 부식, 주철 부식, 주철의 내식성

 

 

2. 철 합금의 조직 

 

1) 철 합금의 조직 (B.C.C, F.C.C, B.C.T 구조) 

순철에는 체심입방격자(BCC)를 가진 𝛂-Fe, 𝛅-Fe와 면심입방격자(FCC)를 가진 𝛄-Fe 총 세개의 동소체가 있음 
원자의 배열이 바뀌는 변태를 동소변태라고 함 
동소변태는 원자의 배열이 바뀌기에 변태에 어느정도 시간을 요함 

A3변태 등에 C를 붙이면 가열하여 생기는 변태 (chauffage), r을 붙이면 냉각시 생기는 변태 (refroidissement), 가열과 냉각속도를 무한히 늦추면 e(equilibrium)을 붙여 Ae3 등으로 표시함 (급냉이 아닌 항온 유지)

결정격자란?

(1) 변태의 종류

• [210℃] A0변태, 자기변태 : 큐리점, 시멘타이트의 자기변태  
• [723℃] A1변태, 공석변태 : 강의 공석변태, 순철에는 없음  
• [768℃] A2변태, 자기변태 : 강자성(ferromagnetic) → 상자성(paramagnetic)
    * 원자 배열이 바뀌지 않기 때문에 동소변태가 아니다 
• [910℃] A3변태 : 𝛂철(BCC) ↔  𝛄철(FCC)
• [1400℃] A4변태 :  𝛄철(FCC) ↔ 𝛅철(BCC)

<자성체 구분>

강자성체 : 내부에 극이 유도되면, 그것을 제거해도 자성이 남아있는 것 
상자성체 : 내부에 극이 유도된 후, 그것을 제거하면 자성을 잃는 것 
반자성체 : 외부 자기장에 의해 자기장과 반대방향으로 자화되는 물질

상자성체와 반자성체의 차이

 

(2) 격자, 결정구조의 종류

결정구조의 종류, HRD

구분	체심입방격자(BCC)	면심입방격자(FCC)	조밀육방격자(HCP)
배위수 (CN)	8	12	12
원자충전율	68%	74%	74%
단위격자 당 원자 수	2	4	6

원자충전율을 보면 BCC결정구조를 가지는 a철이 FCC결정구조를 가지는 r철보다 밀도가 작다 (충전율이 작다). 따라서, 동소변태 전, 온도에 따라 체적이 계속 팽창하다가 a철이 r철로 변태하면 갑자기 체적이 수축하게 됨

탄소의 고용도는 원자충전율이 높은 FCC가 더 높은데, FCC 결정격자 중앙에 큰 공간이 기워져 있어 탄소가 쉽게 비집고 들어갈 수 있기 때문이다 (충전율은 높고, 밀도 또한 높지만, 실질적으로 탄소가 들어갈 수 있는 공간이 FCC가 더 크다) 

실제 순철 기준, 오스테나이트가 페라이트보다 약 100배정도 탄소를 더 함유할 수 있음  

a철이 r철로 바뀌면서 발생하는 체적 수

 

 

2) 조직의 종류 

온도와 C의 비율에 따른 조직의 형태

철 - 탄소 평형상태도 간 조직의 형태

 

① 페라이트

a철에 탄소가 함유되어있는 고용체를 페라이트라고 함 (BCC구조) 

페라이트에 고용할 수 있는 탄소량은 매우 적음 

페라이트의 침입형 자리에 들어갈 수 있는 구의 최대 반경은 0.35인 반면, 0.77의 반경크기를 갖는 탄소원자가 침입형 자리에 들어가게 되면 격자 변형을 일으키게 됨 (마르텐사이트의 강도 증대 원리)

상온에서 강자성, 담금질 열처리에 의해 경화되지 않음 

좌측이 페라이트(0.0%), 우측이 페라이트 + 펄라이트 (0.4%C)

② 시멘타이트, 탄화물 (Fe3C)

강 중 탄소는 보통 탄화물(Fe3C)로 존재함. (금속간 화합물)
탄소량이 많아지거나, 냉각하여 페라이트나 오스테나이트에 대한 고용한계를 넘어서면, C는 더이상 고용되지 못하고, 시멘타이트라는 화합물을 형성한다. 
(실온에서 a철 내에 고용될 수 있는 탄소의 용해도는 대단히 낮아, 탄소원자는 개개의 철원자 사이에서 매우 드물게 있을 뿐이고, 나머지 탄소는 시멘타이트 형태로 존재한다) 
해당 탄화물을 분해하여 흑연강을 만드는건 일반적으로 드뭄 (주철은 흑연상태를 유지함, 주철의 성장 현상이 있긴 함) 

백생침상의 금속간 화합물, 경도가 대단히 높고 단단함  (마르텐사이트보다 단단함)
시멘타이트는 어느 온도에서나 중량(%)로 6.67%의 탄소를 가지고 있음 

③ 펄라이트

𝛂철과 Fe3C의 기계적 혼합 구조

공석강은 723도 이상에서는 면심입방격자 원자배열을 하고 있는데, 723도(A1점) 이하로 떨어지면 체심입방격자의 a철과 시멘타이트로 되어있음. 따라서 A1점 직상에서 서서히 냉각하면, 탄소의 고용도가 낮은 a철 (최대 0.025%)에 따라서 고용되어있던 C원자들이 석출되어 유리상태로 존재하기 시작한다(Fe3C의 형성)

담금질에 경화됨, 페라이트에 비해 훨씬 강하고 경함 (Fe3C의 영향) 

좌측이 펄라이트(0.8%C), 우측이 펄라이트 + 결정립계시멘타이트(1.4%C)

오스테나이트 입계에 Fe3C핵 발생 → Fe3C 핵 성장 → Fe3C 주위에 a철 생성 → a철 입계에 다시 Fe3C 생성

펄라이트 생성과정, HRD

공석강의 펄라이트 조직, HRD

펄라이트는 단상 조직이 아니라 페라이트와 시멘타이트의 2상 혼합 조직임

④ 레데뷰라이트

 𝛄철과 Fe3C의 기계적 혼합 

 

⑤ 마르텐사이트 

강을 A3, A1 변태점 이상의 고온으로 가열하여 오스테나이트 상태로 만든 뒤, 서서히 냉각시키면 펄라이트 조직이 되지만, 강을 물 속에 급냉시키면 미처 탄소원자들이 충분한 확산을 이루지 못해 무확산 변태를 하게 되는데, 이때 형성되는 조직이 마르텐사이트. a철 속에 탄소가 과포화로 고용된 고용체

마르텐사이트는 급냉에 의해 발생한 체심정방격자(BCT)를 가지고 있고, 저온 뜨임시 체심입방격자(BCC)에 가까운 템퍼드마르텐사이트 조직으로 변한다 
마르텐사이트 조직은 침상조직이며 내식성이 강하고 경도와 인장강도가 크고, 강자성체이나 취성이 있고 전연성이 작음 
비중이 오스테나이트보다 작아 변화시 팽창하게 된다 (잔류 오스테나이트가 있을때, 변형시 부피가 팽창하는 이유) 

2024.03.17 - [Mechanical Engineering Study/열처리 | 금속재료] - 금속의 강화기구, 금속조직(결정립) 미세화 방안, 석출강화, 고용체강화, 가공경화

 

 

마르텐사이트의 격자 변형

⑥ 트루스타이트 

담금질 후 나타난 마르텐사이트를 템퍼링하면 100~150도 이상에서 고용된 탄소는 탄화물로 석출되는데, 트루스타이트는 페라이트와 미세한 시멘타이트의 혼합조직임 
강을 오스테나이트화한 뒤 유냉하여 냉각속도가 약간 느릴때 500도 부근에서 생길 수 있고, 마르텐사이트를 300 ~ 400도 템퍼링시 생길 수  있다. 
템퍼링에 의해 강의 경도는 저하하지만 강인성을 증대시킨다 

⑦ 솔바이트

트루스타이트보다 냉각속도가 느린 경우 생성 (노냉)
마르텐사이트 혹은 트루스타이트 조직을 500 ~ 600도에서 고온템퍼링시 형성되기도 함 

트루스타이트에 비해 경도가 낮지만 강인성이 크고 연하며, 펄라이트보다는 단단함. 
담금질과 고온 템퍼링을 일관하여 작업하는 열처리를 조질이라 함 -> 조질 처리는 인성이 큰 솔바이트를 얻기 위한 조작 

⑧ 오스테나이트, 잔류오스테나이트 

a철에 탄소가 함유된 고용체를 페라이트, r철에 탄소가 함유된 고용체를 오스테나이트라고 한다 

강을 경화하기 위해서는 고온으로 가열을 해야하는데, 최종 목적은 오스테나이트로만들기 위함이다 

아래 그래프에서 보이는 것처럼, 탄소 함유량이 0.6% 이상 되게 되면 Mf온도가 0도 이하로 내려가기 때문에 상온에서 담금질시 잔류오스테나이트가 형성되게 되고, 이를 해결하기 위해서는 심냉처리가 필요하다 

 

잔류오스테나이트의 형성 원리, Mf온도 추이

⑨ 베이나이트 

공석강을 약 550도 이하의 온도 (코 부근 온도 이하)에서 항온변태시키면 베이나이트가 형성되기 시작함. 
상부, 하부 베이나이트로 나눌 수 있고 상부 베이나이트는 비교적 취약한 반면, 하부베이나이트는 비교적 인성이 있음

베이나이트는 연속냉각 혹은 항온변태 조건에서 펄라이트와 마르텐사이트 중간에서 생성  

베이나이트 조직, 육안으로 보면 펄라이트랑 흡사하다

상부베이나이트 조직, HRD

항온열처리(Isothermal Heattreatment), 오스템퍼링, 마퀜칭, 마템퍼링, 항온뜨임, 항온불림, 항온풀림

 

 

 

3. 기본 열처리 

금속의 열처리란?

1) 노멀라이징 (Normalizing)

주조 조직을 미세화, 냉간가공 및 단조 등에 의한 내부 응력 제거, 결정의 조직과 기계적 물리적 성질을 표준화 

예를 들어, 주강을 서냉하거나,담금질을 높은 온도에서 하게 되면 오스테나이트 결정립이 크게 성장을 하거나,오스테나이트 결정립계에 페라이트가 침상 혹은 판상으로 석출하게 되는데, 이때 생기는 조직을 비트만스테텐조직이라 함
해당 조직의 충격값은 굉장히 약한데, 노멀라이징을 통해 페라이트와 펄라이트가 미세하게 혼합된 조직으로 개선될 수 있음  

기본열처리 - 노말라이징 (Normalizing, 불림, 소준)

불림처리하여 조대화된 비트만스테텐 조직이 표준 페라이트 + 펄라이트 조직으로 변한 현상

 

 

 

2) 풀림 (Annealing)

주조 조직이나, 고온에서 장시간 단련된 재료는 오스테나이트 결정입자가 거칠거지고, 크며 기계적 성질이 나빠짐. 
해당 조직을 A1, A3 온도 + 30~50도 온도로 유지 후 노 내에서 서서히 냉각시키면 변태로 인해 거칠고 큰 최초의 결정입자가 붕괴되고 새로운 미세 결정 입자가 발생, 내부 응력 제거되며 연화되는 조작을 완전풀림이라고 함 

연화되는 조작은 회복 → 재결정 → 결정립 성장 으로 이루어짐

연화풀림을 해야하느 과공석강은 균질한 펄라이트 조직을 얻기 위해서는 먼저 노멀라이징이 선행되어야함 

완전풀림, 연화풀림, 구상화풀림, 재결정풀림 등이 있음 

 

재결정 (recrystallization), 재결정온도, 냉간가공, 열간가공

기본열처리 - 풀림(Annealing), 소둔

풀림온도가 어느 정도 이상이 되면 경도, 인장강도, 탄성한도는 갑자기 감소하고 연신율은 급격히 증가하는데, 
1) 상온가공에 의해 내부응력을 일으킨 결정입자가 가열에 의해 그 모양이 바뀌지 않고 내부응력이 감소되어 가는 회복 (recorery)과정 
2) 내부 응력이 있는 결정입자 가온데 내부응력이 없는 새로운 결정 핵이 생기는 재결정(recrystallization) 혹은 조질 과정

내부응력이 전혀 남아있지 않은 것은 아무리 가열하여도 어떤 변화도 생기지 않음 

냉간가공재의 가열에 따른 연화

과공석강에서 초석 망상 시멘타이트가 그대로 존재하면 경도가 매우 높아져 기계가공성이 나빠짐. 또한 담금질시 변형이나 균열이 발생하기 쉬움 
이럴때 구상화풀림을 실시 

 

좌측은 망상 시멘타이트(흰색이 시멘타이트, 망상), 우측은 구상화된 시멘타이트 (백립이 시멘타이트, 기지는 페라이트)

 

 

3) 담금질 (Quenching)

강을 강하게 하고 경도의 향상을 위한 열처리 
냉각 도중 변태를 저지하기 위해 급냉하는 조작을 담금질이라 함 
최종 목표는, 마르텐사이트 조직을 형성하는 것. (경도가 최대 : 급냉으로 인한 결정의 미세화, 급냉으로 인한 내부응력 존재(미처 석출되지 못한 탄소원자로 인해 원자들이 침입형 고용체 강화처럼 조직이 변형되면서 내부 응력이 생기게 되고, 해당 응력이 변형을 막아주는 역할을 함) , 탄소원자에 의한 Fe격자의 강화) 

냉각속도에 따른 오스테나이트의 변태

적당한 온도에서 수냉하게 되면 침상 마르텐사이트를 식별할 수 없지만, 동일한 강을 보다 높은 온도로부터 담금질시 오스테나이트 결정이 빨리 성장하므로 마르텐사이트 조직 또한 조대하게 된다 
좌측은 적절한 온도에서 담금질, 우측은 1000도로부터 수냉한 조직으로 현저하게 조대화된 침상 마르텐사이트를 확인할 수 있음
조대 마르텐사이트는 미세한 것보다 취약하기 때문에 담금질에서 피해야함 

또한, 담금질 온도가 상승하면 잔류오스테나이트량 또한 증가하며 민감한 경도강하가 생김. 
많은 잔류 오스테나이트 함유시 치수변화가 심하게 발생하며, 이는 반드시 심냉처리를 통해 제거해야함 

좌측이 적절한 마르텐사이트 조직, 우측이 고온에서 담금질한 조대화된 마르텐사이트 조직

과공석강에서 담금질시, 완전 오스테나이트 영역이 아닌 Ac1점 30~50도에서 담금질하기 때문에, 탄화물(Fe3C)가 존재하는 상태로 담금질을 하게 된다. 

담금질 후 마르텐사이트보다 단단한 시멘타이트는  담금질 기지 내에 존재하여 강의 내모모성을 향상시킴. 하지만 강한 취성의 성질을 띄기 때문에, 이를 제거하기 위해서는 담금질 전 구상시멘타이트로 구상화풀림처리해야함. (침상 -> 구상화) 

  과공석강은 담금질 전 노멀라이징과 연화풀림하지 않으면 2차 시멘타이트가 자주 결정입계 혹은 봉상으로 결정입내에 존재하여 강에 취성을 일으킨다 

만약, 과공석강을 Acm점 이상의 온도로 담금질하면 탄화물이 오스테나이트에 완전히 고용되지만, 해당 높은 온도는 오스테나이트입자의 심한 조대화를 일으킨다. 따라서 담금질시 매우 조대한 침상 취성 마르텐사이트와 현저한 잔류오스테나이트의 콜라보레이션으로 인해 경도가 떨어진게 된다. 

또한, 담금질온도의 유지시간을 짧게 하면 탄화물의 용해가 완전하게 이루어지지 않아 펄라이트 변태가 쉽게 일어나며, 마르텐사이트는 고용된 탄소량이 적어지므로 (석출된 탄소가 충분히 고용되지 않음) 완전한 담금질 효과를 얻지 못한다 

기본열처리 - 담금질 (Quenching)

 

4) 뜨임 (Tempering)

담금질한 상태의 강은 경도가 매우 높아 취약, 실용화할 수 없음. 따라서 뜨임처리를 통해 재가열하여 사용함

뜨임은 저온 뜨임과 고온 뜨임으로 구분됨 
비교적 높은 경도와 내마모성을 요구할 때는 고탄소강을 담금질하여 100 ~ 200도 부근에서 뜨임하며 
고온 뜨임은 구조용 강을 솔바이트 조직으로 바꾸어 경도는 조금 희생하더라도 강인한 재질로 만들기 위한 조작임 
저탄소강을 사용하여, 500 ~ 600도 부근에서 고온뜨임 실시한다 

고온 뜨임시, 급냉이 좋으나 고속도강이나 냉간 금형강은 서냉시켜 뜨임 경화 (2차 경화)하여 사용한다. 
뜨임 취성은 항상 주의해야한다 

200도에서 템퍼링한 템퍼드 마르텐사이트, 흰 부분은 잔류 오스테나이트

 

400도에서 템퍼링 한 조직, 페라이트와 시멘타이트 내 분해된 마르텐사이트 조직

강재 분류; 탄소강, 합금강, 특수강, 비조질강, 조질강, 듀얼페이스강, 스테인리스 강(듀플렉스강

금속의 취성; 저온취성, 뜨임취성, 수소취성, 청열취성, 적열취성, 상온취성, 취성-연성 천이 온

기본열처리 - 뜨임 (Tempering)

 

4. 고찰

 

1) 냉각속도에 따른 변태생성물 

명칭	조직	냉각속도	브리넬 경도 (로크웰 경도)
오스테나이트	𝛄철 + C 고용체 (고용)	-	155 (9)
마르텐사이트	𝛂철 + C 고용체 (과포화고용)	수냉 (극히 급냉)	720 (68.5)
트루스타이트	𝛂고용체 + Fe3C	유냉 (급냉)	400 (47)
솔바이트	𝛂고용체 + Fe3C	공냉 (서냉)	275 (34)
펄라이트	𝛂고용체 + Fe3C	노냉((극히 서냉)	225 (26)

 

2) 탄소강의 조직 경도 및 특징 비교 

구분	C함유량	조직(결정격자)	경도 (HB)	특징
𝛂 고용체	최대 0.025%까지 C 고용	페라이트	90	대단히 연하고, 전성과 연성이 크고 가앚성체
𝛄 고용체	최대 2%까지 C 고용	오스테나이트	155	상자성체, 인성이 우수
시멘타이트	6.67%	금속간화합물	820	대단히 단단하지만 여림(부서지기 쉬움).  1130도로 가열시 빠른 속도로 흑연을 분리
펄라이트	0.8%	페라이트 + 시멘타이트	225	r고용체가 723도에서 분해하여 생긴 조직, 강도와 경도가 높고 어느정도 연성도 있음
레데뷰라이트	4.3%	오스테나이트 + 시멘타이트	-	생성온도 1135도, 주철

 

3) 체적비 추정에 따른 탄소량 파악 

아공석강은 페라이트와 펄라이트의 혼합조직, 공석강은 펄라이트, 과공석강은 펄라이트와 시멘타이트의 혼합조직임 
지렛대 법칙에 의해,탄소량을 알 수 있음 

 

페라이트 내에 탄소의 고용한계는 상온에서 0.008%, 723도에서 0.025% 

• 0.2%C강의 상온 초석 페라이트 비율 : (0.8-0.2)/(0.8-0.025) x 100 = 77% (페라이트 + 펄라이트가 100%일때, 펄라이트가 23%, 초석 페라이트가 77%) 
• 탄소의 고용한계는 상온에서 0.008%, 723도에서 0.025%
• 23% 펄라이트 중 페라이트의 양 : 23% x (6.67-0.8)/(6.67-0.025) = 20% 
• 23%의 펄라이트 중 시멘타이트의 양 : 23% - 20% = 3% (펄라이트 중의 Fe3C)
• 전체 페라이트는 97%, 시멘타이트는 3%

 

• 0.8%C의 공석강 (펄라이트 조직은 상온에서 약 88%의 페라이트와 12%의 시멘타이트로 구성되어있음)
  • 페라이트의 중량 분율 = (6.67-0.8)/(6.67-0.025) x 100% = 88% 
  • 시멘타이트의 중량 분율 = (0.8-0.02)/(6.67-0.02) x 100% = 12% 

 

4) 탄소량에 따른 항복강도의 변화

서냉시 탄소량 증가에 따라 강도가 높아지는데, 시메타이트(철 탄화물)의 양이 증가하기 때문 
시멘타이트는 매우 단단하기 때문에 강 속에 존재하면 강도 및 경도를 향상시킴 

탄소량 (%)	항복강도 (psi)	연신율 (%)
0% (순철)	15000	62
0.2%	32000	35
0.8%	65000	14

 

경도 수준 : 마르텐사이트 >> 펄라이트(공냉) > 구상탄화물조직 (구상화풀림한 조직)
구상화풀림한 조직이 펄라이트보다 경도가 떨어진다 (구상흑연주철과 헷갈리지 말자) 

• 가공성을 요구하는 경우 : 0.05 ~ 0.3%C
• 가공성과 강인성을 요구하는 경우 : 0.3 ~ 0.45%C
• 강인성과 내마모성을 요구하는 경우 : 0.45 ~ 0.65%C
• 내마모성과 경도를 요구하는 경우 : 0.65% ~ 1.2%C

 

5) 표준 조직의 기계적 성질

구분	페라이트	펄라이트	시멘타이트
인장강도 (kgf/mm^2)	35	90	3.5 이하 (경하지만 여리다)
연신율 (%)	40	10	0
경도	80	200	820

 

 

 

합금강, 철강, 강 합금 원소별 성분에 따른 성질과 특징 (철강 5대원소; C, P, S, Si, Mn), 합금원소(Mg,

금속의 취성; 저온취성, 뜨임취성, 수소취성, 청열취성, 적열취성, 상온취성, 취성-연성 천이 온