금속 미세조직 및 기계적 성질 분석

문서 내 토픽

1. 철-탄소 상태도와 상분율 계산

Fe-Fe3C 상태도를 이용하여 서로 다른 탄소 함량(0.35, 0.45, 0.8 wt.% C)의 강철 시편에서 상온에서의 상(phase)을 예측하고 Lever rule을 통해 상분율을 계산했다. Hypoeutectoid 조성의 시편은 proeutectoid ferrite와 pearlite로, hypereutectoid 조성은 proeutectoid cementite와 pearlite로 구성된다. Image Analyzer를 이용한 실험값과 이론값의 오차는 이미지 분석의 한계, 완벽한 평형상태 미달성, 국소적 측정 등으로 인해 발생했다.
2. 열처리 온도와 결정립 성장

Austenizing 온도가 높을수록 최종 결정립 크기가 커진다. 이는 높은 온도에서 원자의 확산 계수가 증가하여 grain boundary의 이동이 활발해지기 때문이다. 900℃와 1000℃에서 austenizing한 시편을 비교하면 1000℃에서 처리한 시편의 결정립이 현저히 크게 나타난다.
3. 냉각속도에 따른 미세조직 변화

냉각속도가 빠른 공냉(AC)과 느린 노냉(FC)에서 상분율과 pearlite의 라멜라 구조가 다르게 나타난다. 빠른 냉각에서는 탄소 확산 시간이 부족하여 pearlite 분율이 높고 라멜라 간격이 좁다. 느린 냉각에서는 탄소가 충분히 확산되어 ferrite 분율이 높고 라멜라 간격이 넓다.
4. 미세조직 관찰 기법과 원리

Etching은 에너지가 높은 grain boundary를 선택적으로 부식시켜 미세조직을 가시화한다. OM(광학현미경)은 가시광선을 이용해 10~2000배 확대 관찰이 가능하며, SEM(주사전자현미경)은 전자선을 이용해 30만배까지 확대 가능하다. OM에서는 grain boundary가 검게, SEM에서는 pearlite가 밝게 나타나는 원리가 다르다.
5. 탄소 함량과 기계적 성질

탄소 함량이 증가할수록 탄성계수, 항복강도, 인장강도는 증가하지만 연신율은 감소한다. 이는 경하고 취성인 cementite의 분율이 증가하기 때문이다. 경도 시험 결과 탄소 함량이 높을수록 경도가 증가하는데, 이는 탄소 원자가 전위의 이동을 방해하기 때문이다.
6. Tempering 처리와 기계적 성질

수냉으로 생성된 마르텐사이트를 tempering하면 내부 응력이 감소하고 연성이 향상된다. Tempering 온도가 높아질수록 시멘타이트의 입자 크기가 커지고 페라이트-시멘타이트 계면 영역이 감소하여 경도와 강도는 낮아지지만 연신율은 증가한다.
7. 인장시험의 변형률 속도

인장시험에서 변형률 속도는 유동응력에 큰 영향을 미치므로 반드시 표기해야 한다. 변형률 속도가 달라지면 항복강도, 인장강도, 탄성계수, 연신율 등의 측정값이 크게 변한다. 특히 온도가 높아질수록 유동응력의 변형률 속도 의존성이 커진다.

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1. 철-탄소 상태도와 상분율 계산

철-탄소 상태도는 금속재료 공학의 기초이며, 주어진 온도와 탄소 함량에서 존재하는 상의 종류와 양을 예측하는 데 필수적입니다. 상분율 계산은 레버 규칙을 통해 정량적으로 수행되며, 이는 재료의 미세조직과 기계적 성질을 이해하는 출발점입니다. 특히 공석점, 공정점 등의 주요 온도와 조성을 정확히 파악하면 열처리 공정 설계에 큰 도움이 됩니다. 다만 실제 재료는 평형 상태에서 벗어날 수 있으므로, 상태도만으로는 모든 현상을 설명할 수 없다는 한계가 있습니다.
2. 열처리 온도와 결정립 성장

열처리 온도는 결정립 크기를 직접적으로 제어하는 중요한 변수입니다. 온도가 높을수록 원자의 확산이 활발해져 결정립이 성장하며, 이는 재료의 강도와 인성에 큰 영향을 미칩니다. 적절한 온도 관리를 통해 미세한 결정립을 유지하면 높은 강도와 우수한 인성을 동시에 얻을 수 있습니다. 그러나 과도한 온도 상승은 결정립 조대화를 초래하여 기계적 성질을 저하시키므로, 목표하는 미세조직을 얻기 위해서는 정밀한 온도 제어가 필수적입니다.
3. 냉각속도에 따른 미세조직 변화

냉각속도는 철-탄소 합금의 미세조직을 결정하는 가장 중요한 인자 중 하나입니다. 느린 냉각은 평형 미세조직인 페라이트와 시멘타이트를 형성하고, 빠른 냉각은 마르텐사이트와 같은 비평형 상을 생성합니다. 냉각속도를 조절함으로써 경도, 강도, 인성 등의 기계적 성질을 광범위하게 제어할 수 있습니다. 이는 담금질, 뜨임 등 다양한 열처리 공정의 이론적 기초가 되며, 실무에서 원하는 성질의 재료를 얻기 위해 매우 중요한 개념입니다.
4. 미세조직 관찰 기법과 원리

광학현미경, 주사전자현미경, 투과전자현미경 등 다양한 미세조직 관찰 기법은 재료의 내부 구조를 직접 확인할 수 있는 강력한 도구입니다. 각 기법은 분해능과 배율이 다르므로, 관찰 목적에 따라 적절한 기법을 선택해야 합니다. 시료 준비 과정인 연마와 에칭이 관찰 결과에 큰 영향을 미치므로 신중한 시료 처리가 필요합니다. 미세조직 관찰을 통해 열처리 효과를 정성적으로 평가할 수 있으며, 이는 기계적 성질 예측과 공정 최적화에 매우 유용합니다.
5. 탄소 함량과 기계적 성질

탄소 함량은 철강의 기계적 성질을 결정하는 가장 기본적인 요소입니다. 탄소 함량이 증가하면 일반적으로 강도와 경도는 증가하지만, 인성과 용접성은 감소하는 경향을 보입니다. 저탄소강은 우수한 인성과 가공성을 가지며, 고탄소강은 높은 강도와 경도를 제공합니다. 탄소 함량에 따라 적절한 열처리를 적용하면 원하는 성질의 조합을 얻을 수 있으므로, 용도에 맞는 탄소 함량 선택은 재료 설계의 첫 단계입니다.
6. Tempering 처리와 기계적 성질

뜨임 처리는 담금질로 인한 과도한 경도와 취성을 완화시키는 중요한 열처리 공정입니다. 뜨임 온도를 조절함으로써 경도, 강도, 인성의 균형을 맞출 수 있으며, 이는 실제 사용 환경에 맞는 최적의 성질을 제공합니다. 낮은 온도의 뜨임은 높은 경도를 유지하면서 취성을 감소시키고, 높은 온도의 뜨임은 인성을 크게 향상시킵니다. 뜨임 처리는 담금질된 강의 실용성을 크게 높이므로, 대부분의 담금질 강에는 필수적인 후속 공정입니다.
7. 인장시험의 변형률 속도

인장시험에서 변형률 속도는 재료의 기계적 성질 측정에 영향을 미치는 중요한 변수입니다. 일반적으로 변형률 속도가 빠를수록 강도는 증가하고 연신율은 감소하는 경향을 보이며, 이는 재료의 동적 거동을 반영합니다. 표준 규격에서 정한 변형률 속도를 준수하는 것이 재료 간 비교와 품질 관리에 필수적입니다. 다양한 변형률 속도에서의 시험을 통해 재료의 속도 의존성을 파악할 수 있으며, 이는 충격이나 고속 하중 조건에서의 재료 거동 예측에 유용합니다.

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