[재료공학실험]금속 조직 관찰 1부

실험 목적

재료의 단면 조직을 관찰하고, 재료의 특성과 상태, 강종을 판별여부 결정

 

실험 이론 및 원리

1. 탄소강의 성질

1) 탄소강의 물리적 성질

탄소강의 물리적 성질은 탄소 함유량,

열처리, 기계 가공의 차이 등에 따라 상당히 변화한다.

 

2) 탄소강의 기제적 성질

세로 탄성 계수, 가로 탄성 계수, 푸아송 비는 어느 것이나 탄소 함유량에는 거의 관계없 이 일정하지만, 일반적으로 기계적 성질은 탄소 함유량, 열처리, 가공 등의 영향을 받아 광범위하게 변화한다.

(ㄱ) 탄소 함유량과 기계적 성질과의 관계

경도, 인장 강도는 탄소가 1.0% 부근까지는 거의 탄소의 양에 비례하여 증가하고, 1.0%를 넘을 때에는 인장 강도는 급격히 감소하지만 경도는 증가한다. 연신율(elongation)과 충격값은 직선적으로 감소 하여 0.1 %를 넘을 때에는 충격값은 거의 0에 가깝게 되고, 연신율도 수 %로 되어 메지게 된다.

 

(ㄴ) 온도와 기계적 성질과의 관계

인장 강도는 200∼300℃ 부근까지는 온도가 올라감에 따라 증가하여 상온보다 강해지며, 최대값을 나타낸 다음 그 이상의 온도에서는 급히 감소한다. 경도도 인장 강도와 비슷하게 변화한다. 연신은 200∼300℃에서 최저값을 나타낸다. 강은 200∼300℃ 부근에서 상온보다 메지게 되고, 이 때문에 300℃ 부근에서 가공하면 균열이 생길 염려가 있다. 이 현상을 청열 메짐 (blue shortness)이라 한다. 

더욱 온도가 올라가면 인장 강도는 계속 감소되고, 연신은 600∼700℃에서 최대 나타낸 다음 급속히 감소한다. 고온 재료의 가공에 관계가 깊은 950℃ 부근의 적열 온도 구역에서 강올 단조, 압연, 프레스 가공 등을 하면 균열이 생기는 경우가 있다. 이 현상을 적열 메짐(red shortness) 또는 고온 메짐(hot shortness)이라 한다. 이 원인은 강 중의 FeS가 결정 립계에 개재하여 고온에서 녹기 때문이다. 그러나 망간이 많을 때 MnS가 되면 융점이 높아지므로 이러한 염려는 없다. 한편, 탄소강의 크리프 한도(creep limit)는 300℃ 부근에서 감소하기 시작하여 700℃ 부근에서 0이 된다.

 

(ㄷ) 탄소강의 용도

보통의 탄소강은 고온에서 노출되는 내연 기관 부품이나 보일러용 강에 사용된다. 보일러용 강관, 터빈 날개 등이 고온 고압하에서 l0∼25년이라는 긴 기간 동안에 사용될 경우, 크리프에 의한 변형이 일정값을 넘지 않고 고온 파단 강도도 높아야 하는 것이 매우 중요한 성질로 취급되고 있다. 이와 반대로, 온도가 상온보다 내려가면 충격값이 훨씬 감소하여 메지게 되는데, 이러한 성질을 저온 메짐(cold brittleness)이라 하며, 이 때 노치가 있고 충격 하중이 가해질 때 더욱 메지게 되는데, 이를 노치 메짐(notch brittleness), 특히 저온에서는 저온 노치 메짐이라 한다. 선박, 철교, 고압 탱크, 냉동식 LNG 선용 탱고 재료 등이 이러한 저온 메짐의 영향으로 인하여 사고가 발생하는 경우가 있으므로 특히 주의해야 한다.

2. Fe-C 평형상태도

1) 각 실선에 대한 설명

그림 1 평형상태도

A선 : 순철의 용융점 (1538℃)

N선 : 순철의 A4 변태점, δ철 →γ철 (1394℃)

AB선 : δ페라이트의 액상선(응고가 시작되는 온도)

AH선 : δ페라이트의 고상선(응고가 종료되는 온도)

HN선 : δ페라이트가 오스테나이트로 변태하기 시작하는 온도

JN선 : δ페라이트가 오스테나이트로의 변태를 종료하는 온도

HJB선 : 포정선(1495℃, J점 ; 0.17 0.53%C), 이 온도에서 δ페라이트(H) + 액상(B) →오스테나이트(J)의 포정반응이 일어난다.

BC선 : 오스테나이트의 액상선

JE선 : 오스테나이트의 고상선

CD선 : 시멘타이트의 액상선

ECF선 : 공정선, 이 온도에서 액상(C) → 오스테나이트(E) + Fe3C(F)의 공정반응에 의해서 액상으로부터 오스테나이트와 시멘타이트가 동시에 정출한다.

C선 : 공정점(1148℃, 4.3%C), 이 조성의 합금은 공정조직인 레데뷰라이트 (ledeburite)로 된다.

E선 : 오스테나이트에 대한 탄소의 최대고용한(1148℃, 2.11%C), 이 조성으로 강과 주철을 구분하고 있다.

ES선 : 오스테나이트로부터 시멘타이트가 석출하기 시작하는 온도를 나타낸다. A㎝선이라고 부른다.

G선 : 순철의 A3 변태점, γ철 → α철(912℃)

GS선 : 오스테나이트로부터 페라이트가 석출하기 시작하는 온도. A3선이라고 부른다.

S선 : 공석점 (0.77%C, 727℃)

PSK선 : 공석선, 이 온도에서 오스테나이트(S) → 페라이트(P) + Fe3C(K)의 반응에 의해 펄라이트를 만든다. A1선(727℃)이라고 부른다.

GP선 : 오스테나이트로부터 페라이트로의 변태가 종료되는 온도.

P선 : α철에 고용하는 탄소의 최대고용도(727℃에서 0.02%C)

PQ선 : 페라이트에 대한 탄소의 용해도곡선. 상온에서 탄소고용도는 0.008% 이하이다.

M선 : 순철의 A2 변태점(자기변태점, 770℃).

MO선 : 강의 A2 변태점

3. Fe-C 상태도에서의 불변계반응

1) 포정반응(Peritectic Reaction)

0.53%C의 조성을 갖는 액상과 0.09%C의 조성을 갖는 δ 페라이트가 1495℃의 일정한 온도에서 0.17%C의 조성을 갖는 γ 오스테나이트로 변화하는 반응이다.

액상(0.53%C) + δ 페라이트(0.09%C) → γ 오스테나이트(0.17%C)

이 반응은 고온에서 일어나며, 정상적으로는 γ 오스테나이트는 상온에서 존재할 수 없다.

 

2) 공정반응(Eutectic Reaction)

4.3%C의 조성을 갖는 액상이 1148℃의 일정한 온도에서 2.08%C의 조성을 갖는 γ 오스테나이트와 6.67%C의 시멘타이트로 변화하는 반응이다.

액상(4.3%C) → γ 오스테나이트(2.08%C) + 시멘타이트(6.67%C)

일반적으로 탄소강에서는 1.2%C 이상의 탄소를 함유하지 않기 때문에 공정반응이 중요하지 않으나, 2.0%C 이상의 탄소를 함유하는 주철에서는 매우 중요하다.

 

3) 공석반응(Eutectoid Reaction)

0.8%C의 조성을 갖는 γ 오스테나이트가 723℃의 일정한 온도에서 0.02%C의 조성을 갖는 α 페라이트와 6.67%C의 시멘타이트로 분해되는 반응이다.

γ 오스테나이트(0.8%C) → α 페라이트(0.02%C) + 시멘타이트(6.67%C)

 

4. 탄소강의 변태

Fe-Fe3C 상태도의 일부로서, 강의 변태와 조직을 설명하는데 필요한 부분을 나타낸 것이다. 0.8%C를 함유하는 조성의 탄소강(S점)이 723℃ 이하로 냉각될 때 오스테나이트가 페라이트와 시멘타이트로 분해되는 공석반응이 일어나므로 공석강(共析鋼 ; Eurectoid Steel)이라고 하며, 이 반응이 일어나는 온도를 A1선이라고 부른다. 또한 공석반응에 의한 변태를 공석변태, 펄라이트(pearlite)변태, 또는 A1변태라고 부른다. 

한편 0.8%C 이하의 공석강을 아공석강(亞共析鋼 ; Hypoeutectoid Steel)이라고 하는데, 공업용으로 생산되는 대부분의 강의 아공석강이다. 순철이 γ 철로 변태하는 온도는 910℃(Ac3점)이지만 아공석강이 γ 오스테나이트 단상으로 변태하는 온도는 GS선 이상이므로 이 GS선을 A3선이라고 한다.

그림 2 Fe-Fe3C계 평형상태도와 변태조직도

또 0.8%C 이상의 탄소강을 과공석강(過共析鋼 ; Hypereutectoid Steel)이라고 부르는데, 과공석강에서는 SE선 이상으로 가열될 때 단상의 오스테나이트로 변태하므로 이 SE선을 A㎝선이라고 부른다. 과공석강의 탄소함유량은 0.8～2.0%C 범위이지만 공업적으로 생산되는 과공석강은 대부분이 0.8～1.2%C 범위의 탄소량을 가지고 있다. 탄소량이 1.2% 이상이면 강의 성질이 매우 취약해지므로 거의 사용되지 않고 있다.

실제적으로 강을 변태시키기 위한 가열 및 냉각속도는 평형속도보다 빠르므로 변태온도가 그림 3에 나타낸 것과 같이 이동된다. 순철의 경우와 마찬가지로 급속 가열시에 상승된 변태온도를 첨자 c를 붙여서 Ac1, Ac3 및 Ac㎝등으로 나타내고, 급속 냉각시에 저하된 변태온도를 첨자 r을 붙여서 Ar1, Ar3 및 Ar㎝등으로 나타낸다.

그림 3 강의 가열 및 냉각 시 변태온도의 변화

5. 탄소강의 서냉시 조직변화

여기서 서냉(徐冷)이라 함은 평형냉각에 가까운 냉각속도를 말하는 것으로서 실제적인 열처리에서는 얻을 수도 없고 또 큰 의미도 없는 냉각속도이지만, Fe-Fe3C 상태도를 통하여 평형냉각시의 미세조직의 변화를 이해 하는데는 매우 중요하다

1) 공석강

0.8%C의 공석탄소강을 750℃ 정도로 가열하여 충분한 시간동안 유지하면 조직은 균일한 단상의 오스테나이트가 되는데, 이 과정을 오스테나이트화(Austenitizing)라고 한다.

이 공석강을 평형에 가까운 냉각속도로 서냉시킬 때 그림 2에서 e로 표시된 온도, 즉 공석온도 직상에서는 아직까지 조직은 오스테나이트 상태로 있다. 그러나 온도가 더 내려가서 공석온도 이하로 되면 오스테나이트는 α 페라이트와 시멘타이트(Fe3C)의 혼합조직으로 변태하게 된다. 이 조직은 페라이트와 시멘타이트가 교대로 반복되어지는 층상조직(lamellar structure)을 형성하고 있으며, 그 형태가 진주(pearl)와 비슷하기 때문에 펄라이트(Pearlite)라고 부른다. 

이와 같이 펄라이트는 단상조직이 아니라 페라이트와 시멘타이트의 2상 혼합조직이라는 사실에 유의해야 할 것이다. 따라서 서냉된 0.8%C의 공석강을 A1 변태온도 직하에서 지렛대법칙(lever rule)을 적용시키면 이 합금을 구성하고 있는 페라이트와 시멘타이트의 중량분율을 알 수 있다. 즉,

페라이트의 분율(wt%) = (6.67-0.80)/(6.67-0.02)×100% = 88%

시멘타이트의 분율(wt%) = (0.80-0.02)/(6.67-0.02)×100% = 12%

한편 723℃와 상온에서 페라이트의 탄소 고용도한계의 차이가 거의 없기 때문에 펄라이트 조직은 상온에서 약 88%의 페라이트와 12%의 시멘타이트로 구성되며, 또한 페라이트와 시멘타이트의 밀도가 거의 비슷하기 때문에 펄라이트 조직에 나타나는 페라이트와 시멘타이트의 면적비율은 약 7:1정도가 된다.

그림 4. 공석강(a), 0.4%C 아공석강(b) 및 1.2%C 공석강(과공석강)(c)의 서냉조직

2) 아공석강

0.4%C의 아공석 탄소강을 900℃으로 가열하여 충분한 시간동안 유지하게 되면 공석탄소강에서와 마찬가지로 균일한 오스테나이트로 된다. 그리고 이 아공석강을 (약 775℃)까지 서냉 키면 오스테나이트 결정립계에서 초석 페라이트(proeutectoid ferrite)가 우선적으로 핵생성하기 시작한다. 이 강을 다시 c점까지 서냉시키면 초석페라이트는 오스테나이트 속으로 계속해서 성장해간다. 이때 페라이트가 형성된 지역의 과잉탄소는 오스테나이트-페라이트 계면으로부터 오스테나이트 쪽으로 밀려나므로, 남아있는 오스테나이트의 탄소량은 점점 많아지게 된다. 

따라서 A1 변태온도 직상인 c점에 도달되면 남아 있는 오스테나이트의 탄소량은 0.4%에서 0.8%로 증가하게 된다. 따라서 A1 변태온도인 723℃ 직하인 d점에 도달되면 남아있는 오스테나이트는 공석반응에 의해서 펄라이트로 변태하게 된다. 펄라이트를 구성하고 있는 페라이트는 초석 페라이트와 구별하기 위해서 공석 페라이트(eutectoid ferrite)라고 부르며, 이 두 페라이트의 조성은 평형조건하에서는 같아진다. A1 변태온도 직상인 c점에서 지렛대법칙을 사용하면 초석 페라이트와 오스테나이트의 중량분율을 다음과 같이 계산할 수 있다. 즉,

초석 페라이트 분율(wt%) = (0.80-0.40)/(0.80-0.02)×100% = 50%

오스테나이트 분율(wt%) = (0.40-0.02)/(0.80-0.02)×100% = 50%

723℃의 A1 변태온도에서 남아있는 모든 오스테나이트는 A1 변태온도 이하로 냉각될 때에 펄라이트로 변태하기 때문에, 그림 2에서 A1 변태온도 직하인 d점에서의 펄라이트의 중량 분율은 A1 변태온도 직상인 c점에서의 오스테나이트의 중량 분율과 같게 될 것이다. 따라서 0.4%C의 아공석강에 있어서 723℃ 직하의 온도에서 존재하는 펄라이트의 중량 분율은 50%가 된다. 한편 A1 변태온도와 상온에서 페라이트의 탄소 고용도 한계의 차이는 미미하므로 상온에서의 초석 페라이트와 펄라이트의 상대적인 양은 d점에서 계산된 값과 비교해서 큰 차이가 없다. 그림 4(b)은 0.4%C의 아공석강을 1095℃에서 오스테나이트화 한 후에 상온으로 공랭시킨 조직을 보여준다. 여기에서 흰색부분이 초석 페라이트이고, 검은 부분이 펄라이트이다.

 

3) 과공석강

1.2%C의 과공석강을 950℃(그림 2의 g점)에서 충분한 시간동안 유지하게 되면 공석강에서와 마찬가지로 균일한 오스테나이트로 된다. 이 강이 그림 2의 h점 온도로 서냉되면 오스테나이트 결정립계에서 초석 시멘타이트(proeutectoid cementite)가 핵생성 되어 성장하게 된다. 다시 이 강이 j점까지 냉각되는 동안에 초석 시멘타이트는 계속 성장해 가면서 오스테나이트에 있는 탄소를 고갈시키게 된다. 이 냉각과정이 평형냉각이라고 가정할 때에 j점의 온도에서 남아 있는 오스테나이트의 탄소량은 1.2%에서 0.8%로 감소하게 될 것이다. 따라서 이 오스테나이트는 A1 변태온도 이하로 냉각되면서 공석반응에 의한 펄라이트로 변태하게 된다. 펄라이트를 구성하고 있는 시멘타이트는 초석 시멘타이트와 구별하기 위해서 공석 시멘타이트(eutectoid cementite)라고 부른다.

A1 변태온도 직상인 그림 2의 j점에서 지렛대법칙을 사용하면 초석 시멘타이트와 오스테나이트의 중량분율을 구할 수가 있다. 즉,

초석 시멘타이트 분율(wt%) = (1.2-0.80)/(6.67-0.80)×100% = 6.8%

오스테나이트 분율(wt%) = (6.67-1.2)/(6.67-0.80)×100% = 93.2%

아공석강에서와 마찬가지로 공석온도인 723℃ 직상에서 남아 있는 오스테나이트는 723℃이하로 냉각시 펄라이트로 변태하므로, 그림 2에서 A1 변태온도 직하인 k점에서의 펄라이트의 중량 분율은 A1 변태온도 직상인 j점에서의 오스테나이트의 중량 분율과 같게 될 것이다. 따라서 1.2%C의 과공석강에 있어서 723℃ 직하의 온도에서 존재하는 펄라이트의 중량 분율은 93.2%가 된다. 한편 A1 변태온도와 상온에서 페라이트의 탄소 고용도한계의 차이는 미미하므로 상온에서의 초석 시멘타이트와 펄라이트의 상대적인 양은 k점에서 계산된 값과 큰 차이가 없다.

여기서 한가지 주목할 만한 사실은 0.4%C의 아공석강에서는 50%의 초석 페라이트가 나타나는 반면, 1.2%C의 과공석강에서는 단지 6.8%의 초석 시멘타이트가 나타난다는 것인데, 이 사실은 그림 4(b)의 0.4%C 아공석강의 미세조직과 그림 4(c)의 1.2%C 과공석강의 미세조직을 비교해보면 명확히 알 수 있다. 이와 같이 초석상의 분율이 차이나는 이유는 0.4%C의 아공석강에서는 (γ+α)상 영역이 0.025～0.8%C 범위에 있지만, 1.2%C의 과공석강에서는 (γ+Fe3C)상 영역이 0.8～6.67%C 범위에 있기 때문이다.

그림 5 탄소강 불림조직

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