금속을 담금질 하게 되면 단단하게 변하는 이유가 무엇인가요

Question

안녕하세요

금속 재료를 아주 높은 온도에서 가열한 후 기름에 넣어 급격히 냉각시키는 담금질을 하게 되면 좀더 단단하게 변하는데요 왜 담금질을 하면 단단하게 변하나요?

김재훈 · Accepted Answer

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.금속을 고온으로 가열하면 원자 배열이 재구성되는데 이를 기름에 넣어 급랭하면 원자들이 안정된 격자 구조로 돌아갈 시간적 여유 없이 순식간에 뒤엉키면서 매우 단단하고 치밀한 마르텐자이트라는 비평형 조직이 형성됩니다 이 과정에서 금속 내부에는 강한 응력이 발생하고 원자 간의 미끄러짐을 방지하는 격자 변형이 일어나 외부 충격이나 압력에 저항하는 경도가 비약적으로 상승하게 됩니다 담금질은 열에너지에 의해 활성화된 금속 조직을 금속 냉각으로 장제 고정함으로써 부드러운 성질을 억제하고 물리적인 강도를 극대화하는 금속공학적 원리를 이용하는 것이라고 할 수 있습니다

박재화 · Answer

안녕하세요. 박재화 박사입니다.보통 담금질을 하면 금속 안에서 원자 배열이 급하게 바뀐 상태로 굳어져 버립니다. 그래서 원래보다 미끄러지듯 변형 되기 어려운 구조가 만들어 지게 됩니다.강에서는 고온에서 안정하던 구조가 급랭되면서 결정구조 중에 마르텐사이트라는 매우 단단한 조직들이 생기게 됩니다. 그래서 금속이 더 세지면서 딱딱해지는 특징이 있습니다. 좀 더 쉽게 설명 드리면, 천천히 식히면 원자들이 자리를 잡겠지만, 급하게 식히면 움직이지를 못하니까 뒤엉킨 상태로 단단하게 붙어버리는 겁니다.그리고 단단하다는 것이 강도는 세질지 몰라도 잘 깨지기 쉬워지는 취성 특성은 올라가는 경우라, 열처리 같은 것을 하는 경우가 많습니다.

이수민 · Answer

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.철을 예로 들면, 상온에서 철의 원자 배열은 체심입방구조라고 해서 정육면체의 꼭짓점과 정중앙에 원자가 배치된 형태예요. 이 상태에서는 탄소 원자가 들어갈 빈 공간이 거의 없어요.철을 약 900도 이상으로 가열하면 결정 구조가 면심입방구조로 바뀌는데, 이 구조는 원자 사이 빈틈이 더 넓어서 탄소가 그 사이로 녹아들어 갈 수 있어요. 이 상태를 오스테나이트라고 불러요. 여기까지는 천천히 식혀도 일어나는 변화예요.

이희애 · Answer

안녕하세요.

담금질을 하게되면 금속이 단단해진다고들 합니다. 그 이유는 금속의 내부 구조 변화에 있습니다.

금속을 가열해놓은 상태에서는 비교적 원자의 움직임이 자유로울 수 있습니다. 그러나 담금질이라는 것이 금속 내부 구조를 빠르게 얼려버리는 과정으로 이해할 수 있어요. 고온에서 원자 배열이 느슨해진 상태에서 급랭을 해버리면, 원래는 안정적인 구조로 서서히 돌아가야하는데, 그럴 시간 없이 굳어버립니다. 이렇게 뒤틀린 결정 구조에서는 전위라고 불리는 dislocation이 이동이 어려워져서 변형이 잘 일어나기 힘들고, 그 결과 경도가 올라가는 특성을 보이는 것이에요.

감사합니다.