강철을 담금질하고 뜨임하면 왜 강도가 달라지나요?

Question

재료공학 수업에서 열처리를 배웠습니다. 담금질하면 단단해지고 뜨임하면 인성이 생긴다고 합니다. 마르텐사이트가 왜 단단한지 궁금합니다. 마르텐사이트 조직 사진을 봤지만 구조가 이해되지 않습니다. 탄소 함량에 따라 경도가 달라진다고 합니다. 뜨임 온도가 높으면 강도가 줄어드는지 궁금합니다. 실험 수업에서 시편으로 경도 시험을 합니다. 보고서에는 TTT 곡선도 설명해야 합니다. 쉽게 설명해 주세요. 온도와 시간에 따른 변화를 알려 주세요

이희애 · Accepted Answer

안녕하세요.

담금질하면 강철이 급격히 식으면서 탄소가 빠져나갈 시간이 부족해져 마르텐사이트라는 단단한 조직이 만들어져요.

마르텐사이트는 탄소가 철 내부에 갇힌 뒤 격자가 심하게 뒤틀린 구조라서 전위의 움직임이 어려워 매우 단단해져요. 여기에 탄소 함량이 많을수록 격자 왜곡이 커지기 때문에 일반적으로는 경도와 강도가 높아지지만, 너무 지나치다면 취성이 커질 수 있죠.

뜨임은 담금질 후 다시 가열해 내부 응력을 줄이고 조직을 안정시키는 과정이라 온도가 높아질수록 보통 강도와 경도는 낮아지고 인성을 좋아져요.

TTT 곡선은 온도와 유지 시간을 기준으로 냉각 중 어떤 조직이 언제 만들어지는지를 보여주는 지도라고 생각하시면 이해가 쉬울 것 같아요.

감사합니다.

김재훈 · Answer

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.강철을 고온 오스테나이트 상태에서 급랭하는 담금질을 하면 탄소 원자가 빠져나가지 못하고 철 결정 격자 내부에 갇히면서 체심정방격자 구조의 마르텐사이트가 형성되어 극심한 격자 변형과 전위 이동 방해로 경도와 강도가 비약적으로 증가합니다 이때 고용된 탄소 함량이 높을수록 격자의 비틀림 변형이 커져 마르텐사이트의 경도가 더욱 높아지지만 극도로 깨지기 쉬운 상태가 되므로 TTT(시간-온도-변태) 곡선상 확산 변태가 일어나는 코 영역을 피해 임계 냉각 속도 이상으로 빠르게 냉각해야 합니다 담금질 후 재열하는 뜨임 공정을 거치면 갇혀 있던 탄소가 탄화물 형태로 분출되면서 내부 응력이 해소되고 뜨임 온도가 올라갈수록 조직이 정돈되어 경도와 강도는 다소 감소하는 대신 충격을 견디는 인성과 연성이 회복됩니다 경도 시험 시 편에서는 담금질 상태에서 가장 높은 Vickers/Rockwell 경도가 측정되고 뜨임 온도가 높을수록 경도 수치가 낮아지는데 이는 TTT 곡선에서 온도와 시간에 따라 과포화 고용체가 안정된 페라이트 시멘타이트 복합 조직으로 재배열되는 미세조직적 변화의 결과입니다

이수민 · Answer

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.800℃ 이상으로 가열한 강철은 탄소가 녹아든 오스테나이트예요. 이걸 물에 급랭하면 탄소가 빠져나갈 시간이 없어 철 격자 틈에 갇힌 채, 격자가 한쪽으로 늘어난 체심정방 구조의 마르텐사이트가 돼요. 뒤틀린 격자에서는 전위가 거의 움직이지 못해 매우 단단하지만 잘 깨져요.탄소가 많을수록 뒤틀림이 커서 경도가 올라가고, 약 0.6% 근처에서 HRC 65 안팎으로 거의 최대가 돼요. 조직 사진에서는 저탄소강이 가는 막대 다발 모양의 래스형, 고탄소강이 바늘 모양이 엇갈린 판상형으로 보여요.뜨임으로 150~650℃에 다시 데우면 갇혀 있던 탄소가 미세한 탄화물로 빠져나오며 뒤틀림이 풀리니, 온도가 높을수록 강도와 경도는 줄고 인성은 커져요.TTT 곡선은 오스테나이트를 특정 온도에 유지할 때 변태가 언제 시작되고 끝나는지 그린 그래프예요. 공석강은 550℃ 부근의 코가 약 1초라, 코를 피할 만큼 빨리 식혀 Ms(약 220℃) 아래로 내려가야 마르텐사이트가 되고, 코 위에서 유지하면 펄라이트, 아래에서 유지하면 베이나이트가 생겨요 :)

박재화 · Answer

안녕하세요. 박재화 박사입니다.재료공학 전공이시군요! 반갑습니다.강철을 높은 온도에서 가열하면 오스테나이트라는 조직이 되고, 이를 빠르게 담금질 하게되면 탄소가 빠져나갈 시간이 없어서 마르텐사이트가 만들어집니다. 마르텐사이트는 탄소가 철 결정 내부에 억지로 갇힌 구조라고 보시면 되는데, 이 때문에 변형이 어렵습니다. 따라서 매우 단단하고 강하지만 그만큼 잘 깨질 수 있는 특징이 있습니다. 탄소함량이 높을수록 이런 효과가 커지기 때문에 일반적으로는 담금질 후 경도도 높아지는 경향이 있습니다.뜨임은 담금질한 강철을 다시 비교적 낮은 온도로 가열해 내부 응력을 줄이고 탄소 일부르 탄화물 형태로 안정화 시키는 과정을 말합니다. 뜨임 온도가 높거나 시간이 길어질수록 보통은 경도와 강도는 낮아지는 대신 인성과 연성이 좋아지는 특징이 있습니다.TTT 곡선은 강철을 특정 온도에서 얼마나 유지헀을 때 펄라이트나 베이나이트 같은 조직으로 변하는지를 시간과 온도로 보여주는 그림입니다.요약해보면 담금질은 단단함을 만들고, 뜨임은 조직을 적당하게 부드럽게 만들어 강도와 인성의 균형을 맞추는 과정으로 볼 수 있습니다.