학문
금속을 열처리하면 같은 재료인데도 강도가 달라지는 이유는?
같은 종류의 강철도 열처리 방법에 따라 단단해지거나 오히려 질겨질 수 있다고 하는데, 가열과 냉각 과정이 금속 내부 조직을 어떻게 바꾸고 기계적 성질에 영향을 주는지 궁금합니다.
3개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
금속의 강도는 원자 배열 속 결함인 전위가 얼마나 쉽게 미끄러지느냐로 정해져요. 열처리는 성분은 그대로 두고 이 전위의 움직임을 막는 내부 조직을 바꾸는 작업이에요.
강철을 800~900℃로 가열하면 면심입방 구조인 오스테나이트로 바뀌면서 탄소가 고르게 녹아들어요. 이걸 노 안에서 천천히 식히는 풀림을 하면 탄소가 빠져나올 시간이 충분해서 무른 페라이트와 층상 구조의 펄라이트가 생기고, 강도는 낮지만 잘 늘어나는 상태가 돼요.
반대로 물이나 기름에 넣어 급랭하는 담금질을 하면 탄소가 빠져나오지 못한 채 철 격자에 갇혀 체심정방 구조의 마르텐사이트가 돼요. 격자가 심하게 뒤틀려 전위가 거의 움직이지 못하니 매우 단단해지지만, 그만큼 충격에 쉽게 깨져요.
실제 부품은 담금질 뒤 200~600℃로 다시 데우는 뜨임을 거쳐요. 갇혀 있던 탄소가 미세한 탄화물로 빠져나오고 내부 응력이 풀리면서 경도는 조금 떨어지는 대신 질김이 크게 살아나요. 뜨임 온도를 높일수록 질긴 쪽으로, 낮출수록 단단한 쪽으로 성질을 맞출 수 있어요 :)
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
금속을 가열하면 내부의 원자들이 활발하게 이동하여 고온에 안정된 조직으로 바뀌는데 이 상태에서 물이나 기름으로 급냉을 진행하면 원자가 채 정리되지 못한 채 강하게 찌그러진 왜곡 구조로 갇히게 되어 강도와 하드니스가 극적으로 상승합니다. 반대로 서서히 냉각시키거나 재가열하면 내부의 잔류 응력이 해소되고 원자들이 원래의 안정적이고 유연한 격자 구조로 재배열되면서 단단함 대신 충격을 잘 견디는 인성과 연성이 회복됩니다 즉 열처리는 금속의 화학 성분을 바꾸는 것이 아니라 온도 변화 속도를 제어하여 내부 결정 격자의 크기 분포 및 결함의 이동을 물리적으로 조절하는 원리입니다 결과적으로 단단함을 얻는 담금질과 질김을 부여하는 뜨임 등 냉각 제어 방식에 따라 동일한 재료라도 요구되는 목적에 맞춰 완전히 다른 기계적 성질을 가지게 됩니다
열처리의 핵심은 같은 금속이라도 가열과 냉각 속도를 조절해 내부의 결정조직을 바꾸는 과정입니다.
강철을ㄹ 가열하면 탄소가 금속 내부에 녹아들 수 있는 조직으로 변화하고, 이후 얼마나 빠르게 식히느냐에 따라 최종 조직이 달라지게 됩니다.
빠르게 냉각하면 마르텐사이트처럼 매우 단단하고 강한 조직이 만들어질 수 있지만 대신 깨지기 쉬워질 수 있습니다. 반대로 천천히 냉각하거나 적절하게 뜨임을 하게되면 강도는 조금 낮아질 수 있지만 대신 충격에 견디는 특성인 인성과 연성이 좋아집니다.
그래서 같은 강철이라도 방법에 따라 서로 다른 기계적 성질을 얻을 수 있습니다.