(Phase Transformation) 상 변 태 (Phase Transformation)

금속의 상변태 상변태 상변태의 3가지 분류 상변태 과정 열처리에 의한 상변태를 통해 원하는 기계적 성질을 얻는 것 : Fe-C (C : 0.76wt%)의 열처리 조건에 따라 기계적성질이 700~2000Mpa로 달라짐 일반적으로 단일상과 2상 합금에서 미세구조의 변화는 상변태를 수반 순간적으로 일어나지 않고 시간, 즉 변태속도(Transformation Rate)에 의존 상변태 1. 단순 확산에 의한 변태 : 상의 수나 조성이 변하지 않음 (순수금속의 응고, 동소(allortopic)변태, 재결정화, 결정립 성장 2. 상의 조성과 수의 변화 : 최종 미세구조에는 2상이 존재 (공석 반응) 3. 무확산(Diffusionless) 변태 : 합금강의 마르텐사이트 변태 상변태의 3가지 분류 핵생성(Nucleation) : 매우 작은 입자들이 나타나며 새로운 상의 핵들이 계속 성장할 수 있게 됨. : 균일(homogeneous) 핵생성, 분균일(heterogeneous) 핵생성 2. 성장(Growth) : 핵들의 크기가 증가함에 따라 근원상은 소멸하게 되고, 새로운 상이 평형 분율에 이르게 되면 변태는 종료됨. 상변태 과정

금속의 상변태 균일 핵생성 자유에너지(G)가 관련됨. 자유에너지는 계의 내부에너지(엔탈피, H)와 원자나 분자들의 무질서의 척도(엔트로피, S)의 함수 자유에너지의 변화 : 음수 변태는 자발적으로 일어남. 일반적으로 단일상과 2상 합금에서 미세구조의 변화는 상변태를 수반 순간적으로 일어나지 않고 시간, 즉 변태속도(Transformation Rate)에 의존 응고변태 총자유에너지(G) 변화 1) 고상과 액상의 자유에너지 차 : 온도가 평형응고 아래이면 음수(-) 2) 응고 변태과정에서 고상-액상 상경계 형성에 따른 자유에너지의 변화 총자유에너지(G) 변화는 상기 두값의 합 : 물리적으로 액상내의 원자들이 서로 뭉쳐서 고상입자가 형성될 시작할 초기에는 자유에너지가 증가 뭉쳐진 크기가 임계반지름에 도달한 후 성장이 지속됨에 따라 자유에너지는 감소한다. 임계 자유에너지는 임계반지름에서 나타나므로 이를 활성화에너지라고 함. 과냉각(Supercooling, Undercooling) : 액체가 냉각될 경우 평형 응고온도보다 낮은 온도에서 핵생성이 되는 현상. 균일 핵생성에 대한 과냉각의 정도는 매우 크다.

금속의 상변태 불균일 핵생성 성장 균일 핵생성의 과냉각이 큰 이유는 핵이 이미 존재하는 표면이나 계면에서 생성되면 표면에너지가 감소하므로 핵생성의 활성화에너지가 낮아지기 때문이다. 즉, 핵은 다른 곳보다 표면이나 계면에서 생성되기 쉽다. 이와같은 형태의 핵생성을 불균일 핵생성이라 함. 성장 상변태에서 엠브리오(Embryo) 의 크기를 초과하면 핵의 성장이 시작되어 안정한 핵으로 된다. 새로운 상입자의 성장과 동시에 핵생성은 계속되지만 새로운 상으로 변한 구역에서는 물론 핵생성이 일어나지 않는다. 엠브리오(Embryo) 고상의 입자가 액상 군집체 속의 원자들과 함께 형성됨에 따라 자유에너지가 처음에는 증가하고. 이러한 군집체가 임계반경에 도달하면 성장은 자유에너지 감소와 함께 계속 진행된다. 반면 임계크기보다 작은 반경의 군집체는 줄어들고 다시 용해된다. 이러한 준임계(subercritical) 입자를 엠브리오라 함.

철-탄소 합금에서 미세구조와 성질의 변화 등온상태도 펄라이트(Pearlite) 냉각중 중간적인 탄소 농도를 오스테나이트(Austenite)는 낮은 탄소농도를 갖는 페라이트(ferrite)와 높은 탄소농도를 갖는 시멘타이트(cementite)로 변태함. 이러한 과장은 탄소원자가 선택적으로 시멘 타이트로 확산 이동함으로써 이루어진다. 온도는 오스테나이트에서 펄라이트로의 변태속도에 매우 중요한 역할을 한다. 공석조성의 철-탄소 합금에서의 온도의존성은 그림 11.3과 같다.

그림 11.4는 공석온도 바로 밑의 온도에서는 50% 변태를 위해 매우 긴 시간이 필요하다. 즉, 반응속도가 매우 느리다. 이와 같은 선도는 몇가지 제약이 있다. 첫째, 이 그림은 공석 조성의 탄소-철 합금의 경우에만 유용하며, 다른 조성의 경우에는 다른 모양을 나타낸다. 둘째, 반응이 진행되는 동안 일정한 온도를 유지한 변태의 경우만을 나타낸다. 이러한 일정온도 상태를 등온(isothermal)이라 하고, 그림 11.4 와 같은 그림을 등온-변태도(isothermal transformation diagram) 또는 시간-온도-변태(time-temperature- transformation , T-T-T)곡선이라 한다.

펄라이트 안에서 페라이트와 시멘타이트 두께비율은 대략 8대1이다. 층상의 절대두께는 등온변태에 영향을 받는다. 공석의 바로 밑의 온도에서는 비교적 두꺼우며, 이러한 미세구조를 조대 펄라이트 (corse pearlite)라 하고, 온도가 감소함에 따라 탄소확산 속도가 감소하고 층의 두께는 얇아진다. 540℃ 부근에서 만들어진 얇은 층을 미세 펄라이트(fine pearlite)라 한다.

베이나이트(Bainite) 베이나이트는 변태온도에 따라 침상이나 판상의 모양으로 형성되며, 세부 미세구조는 매우 가늘다. 베이나이트는 펄라이트 변태온도 이하에서 일어난다. 펄라이트와 베이나이트는 서로 독립적으로 생성되는 것이 아니며, 서로 경쟁적으로 일어난다. 합금의 어느 부위에서 펄라이트나 베이나이트가 생성된다면, 그 부위에서 다음 상으로의 변태는 오스테 나이트 형성을 위해 재가열하지 않으면 불가능하다.

스페로타이트(Spherrodite) 만약, 펄라이트 또는 베이나이트 미세구조를 가지고 있는 합금강이 공석온도 이하에서 오랜 시간동안 열처리되면 또 다른 미세구조가 생성된다. 이것을 스페로타이트라고 하고, 스페로타이트 구조에서는 연속적인 알파상 기지에 구형의 입자로 나타난다.

마르텐사이트(Martensite) 오스테나이트화된 철-탄소합금이 비교적 낮은 온도에서 급냉될 때 형성된다. 마르텐사이트는 무확산 변태로부터 만들어진 비평형 상태의 단일구조이다. 급냉속도가 탄소확산을 방해할 정도로 급속히 일어날 때 순간적으로 마르텐사이트 변태가 일어남. 이처럼 시간에 무관하게 무확산 변태로 순간적으로 일어나므로 펄라이트나 베이나이트 반응과 같은 모양으로 나타나지 않는다. (침상이나 판상의 외관을 가짐) 마르텐사이트 시작점은 수평직선으로 나타나 있는데, 이것은 마르텐사이트 변태가 시간에 무관함을 보여 주는 것이고 오직 합금의 금냉온도만의 함수이다. 이런 종류의 변태를 비열변태(athermal transformation) 라고 한다.

템퍼링된 마르텐사이트(Martensite) 급냉된 상태의 마르텐사이트는 단단하지만 잘 깨어져서 응용에 부적절하다. 또 급냉시 발생한 내부응력도 재료를 약하게 만드는 요소이므로 템퍼링(tempering)이라는 열처리에 의해 내부응력을 제거하고 마르텐 사이트의 연성과 인성을 증가시킬 수 있다. 템퍼링은 특정시간 동안 공석온도 이하에서 마르텐사이트 강을 가열하는 열처리이다. 통상 250~600℃ 사이에서 수행되나 내부응력의 제거는 200℃ 의 낮은 온도에서 행해진다. 템퍼링 열처리는 확산에 의한 것이며 원래의 마르텐사이트와 거의 같은 강도와 경도를 가지고 있으며, 연성과 인성은 현저하게 상승된다.

템퍼링 취성(Temper embrittlement) 일부 강의 템퍼링은 충격시험에서 알수 있듯이 인성의 감소를 수반하며 이것을 템퍼링 취성이라 한다. 이 현상은 강이 575℃ 이상의 온도에서 템퍼링되어 상온까지 서냉되거나 375~575 ℃ 사이에서 템퍼링될 때 일어난다. 템퍼링 취성에 약한 합금강은 마그네슘, 니켈, 크롬 등의 많은 양의 합금원소를 포함하거나, 적은 양의 안티몬, 인, 비소, 주석 등이 한종류 또는 그 이상의 불순물로 포함되어 있는 경우에 일어난다. 이들 합금원소와 불순물은 연성 및 취성 전이온도를 높은 온도로 이동시키고, 따라서 상온에서도 취성구역에 놓이게 된다. 템퍼링 취성은 조성조절과 575℃ 이상 또는 375 ℃ 이하에서 템퍼링한 후 상온에서 급냉함으로써 피할 수 있다.

가열과 냉각을 적절하게 조절하여 금속재료의 여러 성질을 변화 또는 개선시키는 기술 열처리 가열과 냉각을 적절하게 조절하여 금속재료의 여러 성질을 변화 또는 개선시키는 기술 주로 금속에 적용 보통 고온에서 급냉하면 일어날 변화를 일부 또는 전부 저지하여 필요한 특성을 내는 기술 열처리를 하는 온도, 유지시간, 냉각속도 등은 재료나 얻고자 하는 특성에 따라 달라진다. 보통 물이나 기름에 담금 일반적으로 열처리라 하면 여러 열처리 방법 중 퀜칭(quenching)을 의미한다. 가열 오스테나이트 열처리 온도 시간

Quenching method Ex) STEEL 강을 오스테나이트화 온도로 부터 석출이나 변태를 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 강을 오스테나이트화 온도로 부터 석출이나 변태를 저지할 정도로 급냉하여 마르텐사이트 조직으로 변태시켜 강을 경화하는 열처리 방법 냉매로 기름이나 물 사용 냉각속도에 의해 경도 조절 - 확산풀림 오스테나이트 노멀라이징 완전풀림 오스테나이트 +시멘타이트 오스테나이트 +페라이트 온도(℃) 구상화풀림 응력제거풀림 페라이트 페라이트+시멘타이트 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Ferrite(순철조직) Martensite 탄소량(%)

1 2 3 Quenching Quenching후 냉각은 다음 3단계를 거친다. 각 냉매마다 특성이 달라 3단계 과정에서의 냉각능력(냉각속도)도 달라지게 된다. 1 Vapour blanket/ Polymer film (stage A) : 증기막 단계 Nucleate boiling (stage B) : 비등 단계 Liquid cooling (stage C) : 대류 단게 박막형성 2 Temperature(℃) Temperature(℃) 박막붕괴 열방출속도 가장 빠름 3 냉각속도 가장느림 변형, 균열 방지가능 점도의 영향을 크게 받음 Cooling rate Time