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.