안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
순수한 철이 무른 이유는 원자 배열이 너무 규칙적이어서 쉽게 미끄러지기 때문이며, 여기에 탄소를 섞으면 탄소 원자가 원자층 사이의 미끄러짐을 물리적으로 막아주기 때문에 단단한 강철이 됩니다. 그 과정에 대해 자세히 설명해 드리겠습니다.
순수한 철에 소량의 탄소를 첨가하면, 철 원자보다 크기가 훨씬 작은 탄소 원자가 철 원자들 사이의 좁은 빈틈에 끼워 들어가면, 평평하고 규칙적이었던 철의 원자 배열이 탄소 원자로 인해 찌그러지고 왜곡됩니다. 결정 격자가 찌그러지면, 외부에서 힘이 들어와도 원자층이 이전처럼 매끄럽게 미끄러지지 못하고 마치 매끄러운 아스팔트 도로 위라 잘 굴러가던 곳에 자갈과 방해물을 뿌려놓아 멈춰 서게 만드는 것과 같습니다. 원자층의 미끄러짐이 억제되면서 외력에 견디는 성질과 단단함이 비약적으로 증가합니다.
강철은 탄소의 양과 식히는 방법에 따라 철의 내부 미세구조가 달라지며 강도가 더욱 강화됩니다. 고온 상태의 철을 물이나 기름에 갑자기 식히면, 탄소가 빠져나가지 못하고 철 원자 사이에 갇히면서 변형율이 극대화된 초고강도 구조가 형성됩니다. 여기에 크롬, 니켈, 망간 등을 섞으면 녹이 슬지 않거나, 충격에 견디는 인성이 강화되는 등 다양한 성질의 강철이 만들어집니다.