[철강재료] 경도와 경화능

경도(Hardness)의 기본 개념 및 마르텐사이트의 강도 경도와 탄소 함량의 관계 마르텐사이트 조직: 강에서 얻을 수 있는 최대 경도 마 르텐사이트는 탄소강에서 얻을 수 있는 가장 단단한 미세조직 이다. 이 조직은 오스테 나이트를 확산이 충분히 일어나지 않도록 급냉(Quenching)하여 형성되며 고강도, 높은 피로 저항성, 우수한 내마모성을 제공한다. 강의 최대 경도(Maximum hardness)는 일반적으로 마르텐사이트 조직을 얻었을 때 달성된다. 마르텐사이트는 경도가 매우 높아 가공이 어려우므로 대부분의 강은 마르텐사이트 변태 후 뜨임(Tempering) 처리를 거쳐야 사용할 수 있다. 탄소 함량이 최대 경도에 미치는 영향 탄소 함량 증가에 따라 강의 경도는 급격히 증가한다. 약 0.6-0.7wt%C까지 꾸준하게 증가하는 경향이 있다. 이는 탄소의 과포화 현상에 기인한다. 강화 매커니즘 마르텐사이트 변태는 오스테나이트의 탄소를 BCT 구조의 마르텐사이트 격자의 팔면체 자리에 구속하여 과포화 고용체를 형성하는 것으로 설명할 수 있다. 침입형 원자인 탄소 원자가 BCT 격자 내에서 비대칭적으로 위치하며 격자 변형(Lattice Strain)을 유발한다. 이는 전위의 이동을 어렵게 만들어 강도가 증가하게 된다. 마르텐사이트의 항복강도는 탄소 함량의 제곱근에 비례하는 경험식으로 표현되기도 한다. $\sigma_{0.2}(MPa)=461+1.31×10^3(C\ wt.\% )$ 잔류 오스테나이트가 경도에 미치는 영향 (특히 고탄소강에서) 급냉된 강은 마르텐사이트 외에 잔류 오스테나이트를(Retained Austenite) 포함하며 이는 강재의 최종 경도에 영향을 미친다. 잔류 오스테나이트 형성 원인 탄소 함량이 증가하면 마르텐사이트 시작 온도(Ms 온도)가 낮아진다. 이로 인해 상온까지 급냉했을 때 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태하지 못하고 잔류 오스테나이트가 남게 된다. 잔류 오스테나이트와 경도의 상관관계 오스테나이트는 마르텐사이트에 비하여 상대적으로 연한 조직이다. 따라서, 잔류 오스테나이트의 양이 많을수록 강의 전체 경도는 감소한다. 특히, 탄소 함량이 0.7wt% 이상인 고탄소 합금에서 잔류 오스테나이트가 경도에 미치는 영향이 저탄소 합금에 비해 현저하게 나타난다. 고탄소 강에서 30-40wt%의 잔류 오스테나이트가 측정되기도 한다. 경도 회복 방법 경도 향상을 위해 잔류 오스테나이트를 마르텐사이트로 추가 변태시킬 수 있다. 심냉 처리(Sub-zero treatment) 가 주로 사용되며 이는 시편을 액체질소(-196℃)와 같은 극저온 용매로 냉각하는 과정이다. 마르텐사이트 조직의 강화 매커니즘 침입형 탄소에 의한 강화 마르텐사이트 변태는 확산이 없는 무확산 변태(또는, 비열활성 변태, Athermal transtormation)이다. 오스테나이트 내에 고용되어있던 탄소 원자를 확산시키지 못한 채 BCT 마르텐사이트(α’)에 그대로 포획한다. 과포화 고용체의 형성: FCC 구조의 오스테나이트는 탄소의 용해도가 높지만 급냉에 의한 α’ 조직은 극도로 낮은 탄소 용해도를 가진다. 따라서 오스테나이트에서 마르텐사이트로 변태할 때 탄소는 격자 내에 과포화되어 존재한다. 격자 변형 유발: 침입형 탄소 원자는 BCT