오스테나이트, 마르텐사이트, 펄라이트의 이해

오스테나이트:

탄소 및 합금 원소가 γ-Fe에 고용되어 생성된 고용체는 γ-Fe의 입방면심격자 구조 특성을 유지한다. 이 조직은 일반적으로 고온에서 존재하며, 오스테나이트는 200~300°C에서 분해되기 시작한다. 가열 온도가 증가함에 따라 결정립은 점차 커지며, 일정한 온도에서 보관 시간이 길어질수록 오스테나이트 결정립이 더 거칠어진다. 결정립 경계는 비교적 직선이며 정다각형 형태를 이룬다. 비자성이며 연성은 양호하지만 강도는 낮고 일정한 인성 값을 가진다. 담금질된 강에서는 잔류 오스테나이트가 마르텐자이트 바늘 사이의 간극에 분포한다.

과냉각 오스테나이트:

A1 온도 이하에서 존재하는 불안정한 오스테나이트로, 곧 변태가 일어날 예정인 상태이다.

페라이트:

Α-Fe에 탄소와 합금 원소가 고용된 견고한 고용체로, 체심 입방 격자를 가지며 탄소의 고용도가 매우 낮다. 특성: 우수한 인성과 연성을 나타내며, 밝은 다각형 결정립 구조를 보인다. 1400℃ 이상의 고온에서 존재하므로 고온 페라이트 또는 δ 고용체라고도 하며, 기호는 δ로 표시한다. 아세멘트강(저공석강)에서 천천히 냉각된 페라이트는 비교적 매끄러운 결정립 경계를 가진 덩어리 형태의 결정립으로 나타난다. 탄소 함량이 공석 조성(탄소 함량 0.77%)에 접근할 때, 페라이트는 결정립 경계를 따라 석출된다. (공석: 모상에서 두 개 이상의 새로운 상이 함께 석출되는 상변태)

마르텐사이트:

Α-Fe에 탄소가 고용된 과포화 고체 용액으로, 체심 정방 구조를 가짐; 일반적인 마르텐자이트 형태는 판상과 띠상 구조를 포함함; 마르텐자이트의 형태는 주로 형성 온도에 따라 달라지며, 이는 오스테나이트 내 탄소 및 합금 원소의 함량에 의존함; 탄소강의 경우 탄소 함량이 증가할수록 띠상 마르텐자이트의 양은 상대적으로 감소하고, 판상 마르텐자이트의 양은 상대적으로 증가함; 특성: 높은 강도와 높은 경도; 오스테나이트를 급속 냉각(담금질)하여 생성되며, 평형 구조가 아니므로 80–200°C에서 가열 시 쉽게 분해됨;

띠상 마르텐자이트:

저·중탄소강 및 스테인리스강에서 생성되며, 평행하게 배열된 띠상 조직 다발로 구성됨. 공간적 형태는 납작하고 길쭉하며, 하나의 오스테나이트 결정이 여러 개의 띠상 다발(일반적으로 3~5개)로 전변될 수 있음.

띠상 마르텐자이트(침상 마르텐자이트):

이것은 일반적으로 고탄소 및 중탄소 강과 고니켈 Fe-Ni 합금에서 발견된다. 최대 마르텐자이트 라미네이션이 광학 현미경으로 관찰하기에 너무 작을 경우, 이를 암정 마르텐자이트(cryptocrystalline martensite)라고 한다. 생산 공정에서 일반적인 급냉 처리로 얻어진 마르텐자이트는 일반적으로 암정 마르텐자이트이다.

담화 마르텐자이트:

이 미세구조는 저온 담화(150–250°C)에 의해 형성되며, 과포화도가 낮은 마르텐자이트와 극미세 탄화물로 구성된다. 마르텐자이트의 분해는 80~200°C 사이에서 발생한다. 강재를 약 80°C까지 가열하면 내부 원자 활동성이 증가하고, 마르텐자이트 내 과포화된 탄소가 탄화물 형태로 서서히 석출되기 시작한다. 마르텐자이트 내 탄소의 과포화도는 계속 감소하여, 과포화도가 낮아진 마르텐자이트와 극미세 탄화물이 혼합된 구조를 형성하게 된다.

시멘타이트:

탄소와 철의 화합물인 Fe3C; 특성: 6.67%의 탄소를 포함하며, 복잡한 정반면심정계 결정 구조를 가짐; 매우 단단하고 극도로 취약하며, 인성과 연성이 거의 없음;

펄라이트:

페라이트와 시멘타이트가 교번하는 판상층을 이루는 기계적 혼합물로, 철-탄소 합금에서 공정 반응에 의해 생성됨; 특성: 진주 광택을 나타내며, 그 기계적 성질은 페라이트와 시멘타이트 사이에 위치하여 높은 강도, 적당한 경도, 그리고 양호한 연성과 인성을 가짐;

판상 펄라이트:

펄라이트상의 페라이트와 시멘타이트가 번갈아 가며 얇은 층을 형성한 혼합물로, 라멜라 간격의 크기에 따라 다음과 같이 구분할 수 있다: 펄라이트(라멜라 간격 450–150nm, 생성 온도 범위 A1–650℃, 광학 현미경으로 명확히 식별 가능), 소르바이트(라멜라 간격 150–80nm, 생성 온도 범위 650–600℃, 고배율 광학 현미경에서만 식별 가능), 트루스타이트(라멜라 간격 80–30nm, 생성 온도 범위 600–550℃, 전자현미경에서만 식별 가능);

입상 펄라이트:

시멘타이트가 페라이트 기지 내에서 입자 형태로 존재하는 혼합물; 입상 펄라이트는 일반적으로 구상화 어닐링(spheroidizing annealing)을 통해 얻어진다. (구상화 어닐링: 강철 내 탄화물을 구형화하기 위해 실시하는 어닐링);

상부 베인사이트:

온도가 550–350℃ 범위로 떨어질 때 과포화된 바늘 모양 페라이트와 시멘타이트가 혼합되어 형성되는 조직으로, 페라이트 바늘 사이에 시멘타이트가 존재함; 특징: 깃털 모양의 외관, 취성이며 경도가 높음; 일반적으로 500배 광학 현미경에서 식별 가능. 하부베이나이트

온도가 350–230℃ 범위로 떨어질 때 과포화된 바늘 모양 페라이트와 시멘타이트가 혼합되어 형성되나, 시멘타이트는 페라이트 바늘 내부에 존재함; 특징: 검은색의 바늘 모양 또는 대나무 잎 모양 구조로 나타남;

입상베이나이트:

상대적으로 거친 덩어리상의 페라이트와 탄소가 풍부한 오스테나이트로 구성된 혼합물;

탄화물 없음 베이나이트:

판상 페라이트 단일 상으로 구성된 미세구조로, 페라이트 베이나이트라고도 함; 특징: 탄화물 없는 베이나이트는 일반적으로 저탄소강에서 나타남;

비드만스텐 구조:

오스테나이트 결정립이 비교적 거칠고 냉각 속도가 적절할 때 발생하는 강의 다상 미세조직으로, 과공석 상이 베일라상 펄라이트와 혼합되어 바늘 모양 또는 판상 형태로 존재한다. 특성: 거친 결정립과 판상, 깃털 모양 또는 삼각형 형태를 가짐.