알아야 할 5가지 마르텐사이트 형태

담금질로 얻은 마르텐사이트 구조는 강철에 강도와 인성을 부여하는 데 중요한 역할을 합니다.

그러나 강철의 종류, 조성 및 열처리 조건의 다양성으로 인해 담금질된 마르텐사이트의 형태, 내부 미세 구조 및 미세 균열에 대한 민감성은 크게 달라질 수 있습니다.

이러한 변화는 마르텐사이트의 기계적 특성에 큰 영향을 미칩니다.

따라서 마텐사이트의 형태적 특성을 철저히 이해하고 형태에 영향을 미치는 다양한 요인을 이해하는 것이 필수적입니다.

1. 마르텐사이트의 형태

마르텐사이트의 형태와 미세 구조는 박막 투과 전자 현미경을 사용하여 광범위하게 연구되었습니다.

연구 결과, 강철에서 마르텐사이트의 형태는 다양할 수 있지만 그 특성은 일반적으로 다음과 같은 범주로 나눌 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다:

1. 격자 마르텐사이트

래스 마르텐사이트는 저탄소강, 마징강, 스테인리스강 및 기타 철 기반 합금에서 형성되는 일반적인 마르텐사이트 구조입니다.

그림 1은 연강의 래스 마르텐사이트의 일반적인 구조를 보여줍니다.

그림 1 저탄소 100배 스트립 마르텐사이트 합금강 (0.03% C, 2% Mn)

특정 강철의 미세 구조는 수많은 래스 그룹으로 구성되어 있으며, 이 때문에 이를 래스 마르텐사이트라고 합니다.

경우에 따라 래스가 쉽게 드러나거나 에칭되지 않고 대신 뭉툭하게 보이는데, 이 경우 다른 이름인 뭉툭한 마텐사이트라고 부릅니다.

이러한 유형의 마르텐사이트의 주요 하부 구조는 전위이므로 일반적으로 전위 마르텐사이트라고 합니다.

클러스터 마르텐사이트는 여러 개의 래스 그룹으로 구성되며, 각 스트립 그룹은 거의 동일한 크기의 여러 스트립이 특정 방향으로 서로 거의 평행하게 배열되어 있습니다.

그림 2는 래스 마르텐사이트의 특징인 래스 내부의 고밀도 전위를 강조합니다.

그림 2 낮은 박막 투과율의 박막 투과 미세 구조 탄소 합금강 (0.03% C, 2% Mn) 20000X

또한 상 변환 쌍둥이는 래스 내에 존재할 수 있지만 일반적으로 국부적으로 존재하며 상당한 양이 아니거나 미세 구조의 주요 형태가 아닙니다.

라스 마르텐사이트와 모체 사이의 결정 배향 관계 오스테나이트 는 일반적으로 쿠르드주모프-삭스(K-S) 관계라고 하며, 습관 평면은 (111)γ입니다.

그러나 18-8 스테인리스강의 경우, 래스 마르텐사이트의 습면은 (225)γ입니다.

그림 3은 연구를 통해 밝혀진 라스 마르텐사이트 미세 구조의 결정학적 특성을 보여줍니다.

그림 3 라스 마르텐사이트 미세 구조의 결정학적 특성 모식도

병렬로 배열된 래스 마르텐사이트 다발로 구성된 넓은 영역을 래스 그룹이라고 하며 A로 표시됩니다.

하나의 기본 오스테나이트 입자에는 일반적으로 3개에서 5개에 이르는 여러 개의 래스 그룹이 포함될 수 있습니다.

각 스트립 그룹은 그림에 표시된 B와 같이 여러 개의 평행 영역으로 나눌 수 있습니다.

경우에 따라 특정 용액을 부식에 사용하면 래스 그룹의 경계만 보이므로 미세 구조가 블록처럼 보이므로 블록형 마르텐사이트라는 이름이 붙습니다.

컬러 에칭 기법(예: 100cc HCl + 5g CaCl)을 사용하는 경우₂ + 100cc CH₃CH 용액에서 흑백 톤을 관찰할 수 있습니다.

톤이 같은 영역은 방향이 같은 마르텐사이트 래스에 해당하며 동등성 빔이라고 합니다.

쿠르드주모프-삭스(K-S) 배향 관계에 따르면 마르텐사이트는 모 오스테나이트에서 병렬로 라스 마르텐사이트를 생성할 수 있는 6가지 배향을 포함하여 24가지 배향을 나타낼 수 있습니다(그림 4 참조).

그림 4 강철의 마르텐사이트(111) γ 평면에서 성형 시 가능한 방향

아이소패스 번들은 래스 중 하나에서 변형된 래스 묶음을 의미합니다.

여러 개의 평행한 선형 번들을 결합하여 스트립 그룹을 형성합니다.

일부 연구자들은 래스 그룹 내에서 두 그룹만 서로의 위치를 바꿀 수 있다고 제안합니다.

따라서 래스 그룹은 일반적으로 서로 번갈아 가며 정렬된 두 개의 래스 빔 그룹으로 구성되며, 큰 각도 입자 경계에서 서로 번갈아 가며 구성될 수도 있습니다. 그러나 그림 3의 C에 표시된 것처럼 래스 그룹이 주로 단일 유형의 동등성 번들로 구성되는 경우도 있습니다.

정렬된 번들은 그림 3의 D에 표시된 것처럼 병렬로 배열된 스트립으로 구성됩니다.

이 시나리오는 그림 5에 표시된 것처럼 전자 현미경을 통해 관찰할 수 있습니다.

그림 5 Fe-0.2% C 합금의 래스 마르텐사이트 등방성 빔의 일부 미세 구조(투과 전자 현미경 사진)

Fe-0.2% C 합금의 연구 결과에 따르면, 스트립 폭 분포는 그림 6과 같이 로그 정규 분포입니다.

그림 6 필름 및 복제 기술의 스트립 분포도

그림에서 볼 수 있듯이 발생 빈도가 가장 높은 래스 폭은 0.15~0.20μm이며, 분포 곡선은 작은 크기의 래스 쪽으로 크게 치우쳐 있습니다. 그러나 소수의 래스 폭이 1~2μm인 경우도 있습니다.

그림 7은 래스 번들의 미세 구조의 주요 특징인 큰 래스가 래스 번들 전체에 분포하는 경우가 많다는 것을 보여줍니다.

그림 7 Fe-0.2% C 합금의 래스 마르텐사이트 미세 구조(투과 전자 현미경 사진)

실험 결과에 따르면 오스테나이징 온도를 변경하면 오스테나이트 입자 크기가 변경되지만 래스의 폭 분포에는 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타났습니다.

그러나 오스테나이트 입자 크기가 커짐에 따라 래스 그룹의 크기는 증가하지만 둘 사이의 비율은 거의 일정하게 유지됩니다. 따라서 오스테나이트 입자에서 생성되는 래스 그룹의 수는 일반적으로 변하지 않습니다.

박막 전자 현미경 측정 결과 단위 마르텐사이트 부피에서 래스 경계의 면적은 약 65000cm²/cm³로 나타났습니다.

래스 번들에서 작은 각 결정 경계의 면적은 큰 각 결정 경계의 약 5배에 달합니다.

18-8 스테인리스강을 기반으로 하는 Fe-Cr-Ni 합금에서는 그림 8과 같이 래스 마르텐사이트와 ε'-마르텐사이트(밀집된 육각형 격자)가 모두 생성되어 Fe-C 합금과 크게 다른 미세 구조가 만들어집니다.

그림 8 Fe-15% Cr-12&Ni(Ms=- 90 °) 합금 래스 마르텐사이트의 미세 구조(아쿠아 레지아, 글리세린 부식)

이 구조는 래스 그룹이나 심포지션 번들을 포함하지 않고 ε'-마텐사이트 시트를 둘러싼 얇은 래스 그룹으로 만들어집니다(그림의 평행 스트립에서 볼 수 있듯이).

그럼에도 불구하고 이 래스 마르텐사이트의 전자 현미경 구조는 Fe-C 및 Fe-Ni 합금에서 발견되는 것과 동일합니다.

2. 플레이크 마르텐사이트

철 계열 합금의 또 다른 전형적인 마르텐사이트 구조는 라멜라 마르텐사이트로, 담금질된 고탄소강 및 중탄소강과 고니켈-페늄 합금에서 흔히 볼 수 있습니다.

의 전형적인 라멜라 마르텐사이트 구조는 다음과 같습니다. 고탄소강 그림 9에 나와 있습니다.

그림 9 T12A 강철 400X의 과열 담금질 구조 (1000 ℃에서 가열, 물 담금질)

이 특정 유형의 마르텐사이트는 렌즈처럼 볼록한 모양 때문에 렌티큘러 마르텐사이트와 같은 다양한 이름으로 알려져 있습니다. 침상 마르텐사이트 또는 대나무 잎 마르텐사이트라고도 하는데, 이는 시료의 연마 표면과 교차하여 현미경으로 관찰하면 바늘 모양 또는 대나무 잎 모양의 구조로 보이기 때문입니다.

라멜라 마르텐사이트의 하부 구조는 주로 쌍둥이로 구성되어 있으므로 쌍둥이 마르텐사이트라고도 합니다. 라멜라 마르텐사이트의 미세 구조는 라멜라가 서로 평행하지 않다는 특징이 있습니다.

조성이 균일한 오스테나이트 입자를 Ms보다 약간 낮은 온도로 냉각하면 처음 형성된 마르텐사이트가 전체 오스테나이트 입자를 관통하여 두 개의 반으로 나뉘게 됩니다. 이렇게 하면 나중에 형성되는 마르텐사이트의 크기가 제한되어 다양한 크기의 라멜라 마르텐사이트가 생성됩니다. 그림 10에 표시된 것처럼 나중에 형성된 마르텐사이트 조각은 더 작은 경향이 있습니다.

그림 10 라멜라 마르텐사이트의 미세 구조

플레이크의 크기는 거의 전적으로 오스테나이트의 입자 크기에 따라 달라집니다.

벗겨지는 마르텐사이트는 종종 중간 능선이 뚜렷하게 보이는 경우가 있습니다(그림 11 참조).

그림 11 플레이크 마르텐사이트(중간 융기가 뚜렷한 T12 강철을 1200℃에서 5시간 동안 침탄한 후 180℃에서 담금질)

현재 중간 능선의 형성 규칙은 잘 정의되어 있지 않습니다.

라멜라 마르텐사이트의 습면은 (225) γ 또는 (259) γ입니다. 모상과의 배향 관계는 쿠르드주모프-삭스(K-S) 관계 또는 시산 관계 중 하나입니다.

그림 12에서 볼 수 있듯이 마르텐사이트에는 변형 루안 결정인 수많은 미세한 선이 포함되어 있으며, 중간 관절 부분의 띠 모양의 얇은 리브는 중간 리지입니다.

그림 12 라멜라 마르텐사이트의 TEM 구조

변형 뤼더스 결정의 존재는 라멜라 마르텐사이트의 중요한 특징입니다.

뤼더스 결정의 간격은 약 50Å이며 일반적으로 마르텐사이트의 경계까지 확장되지 않습니다.

시트의 가장자리에는 복잡한 전위 배열이 있으며, 일반적으로 [111] α´ 방향으로 규칙적으로 배열된 나사 전위로 여겨집니다.

라멜라 마르텐사이트의 변형 뤼더스 결정은 일반적으로 (112)α´ 뤼더스 결정입니다.

그러나 Fe-1.82% C(c/a=1.08) 합금에서는 (110) 뤼더스 결정이 (112)α´ 뤼더스 결정과 혼합됩니다.

라멜라 마르텐사이트의 내부 하부 구조에 따라 중간 능선을 중심으로 한 변형 트윈 영역(중간 부분)과 트윈 프리 영역(라멜라 주변부에 전위가 있음)으로 나눌 수 있습니다.

트윈 존의 비율은 합금 구성에 따라 다릅니다.

Fe-Ni 합금에서 Ni 함량이 높을수록 ( Ms 포인트)이 클수록 트윈 영역이 커집니다.

Fe-Ni-C 합금에 대한 연구에 따르면, 동일한 조성을 가진 합금이라도 오스테나이트화 온도 변화로 인해 발생하는 등 Ms 포인트가 감소함에 따라 트윈 존의 비율이 증가합니다.

그러나 변형 쌍둥이의 밀도는 거의 변하지 않으며 쌍둥이의 두께는 약 50Å로 유지됩니다.

라스 마르텐사이트와 라멜라 마르텐사이트는 강철과 합금에서 가장 기본적인 두 가지 마르텐사이트 형태입니다.

이들의 형태학적 및 결정학적 특성은 표 1에 나와 있습니다.

표 1 철 탄소 합금에서 마르텐사이트의 종류와 특성

3. 기타 마텐사이트 형태

3.1 버터플라이 마텐사이트

Fe Ni 합금 또는 Fe Ni C 합금에서 마르텐사이트가 특정 온도 범위 내에서 형성되면 그림 13과 같이 특수한 형태를 가진 마르텐사이트가 나타납니다.

그림 13 접시 마르텐사이트의 미세 구조

이 마텐사이트의 입체적인 모양은 가느다란 막대 모양이며 단면이 나비 모양이라서 나비 마텐사이트라고 불립니다.

버터플라이 마르텐사이트는 0 ~ -60℃의 온도 범위 내에서 Fe-31% Ni 또는 Fe-29% Ni-0.26% C 합금에서 형성되는 것으로 밝혀졌습니다.

전자현미경 연구 결과, 내부 하부 구조는 쌍둥이가 보이지 않는 고밀도 전위로 구성되어 있는 것으로 확인되었습니다.

모상과의 결정학적 관계는 일반적으로 K-S 관계를 따릅니다. 버터플라이 마르텐사이트는 주로 0~20℃ 사이에서 형성되며, -20~-60℃의 라멜라 마르텐사이트와 공존합니다.

앞서 언급한 두 합금 시스템의 경우, 버터플라이 마르텐사이트의 형성 온도 범위는 래스 마르텐사이트와 라멜라 마르텐사이트의 형성 온도 범위 사이에 있음을 관찰할 수 있습니다.

나비형 마르텐사이트의 두 날개의 접합부는 라멜라 마르텐사이트의 중간 융기와 매우 유사합니다. 여기에서 서로 다른 방향을 따라 양쪽으로 자라는 마르텐사이트(아마도 쌍둥이)가 나비 모양을 보일 것이라고 가정합니다.

버터플라이 마르텐사이트의 접합 부분은 폭발에 의해 형성된 두 개의 마르텐사이트 조각의 접합 부분과 유사하지만 시트 마르텐사이트와는 다른 쌍둥이 구조를 포함하지 않습니다.

내부 구조 및 미세 구조 관점에서 볼 때 버터플라이 마르텐사이트는 래스 마르텐사이트와 유사하지만 일렬로 발생하지는 않습니다.

현재로서는 버터플라이 마르텐사이트의 많은 측면이 아직 명확하게 밝혀지지 않았습니다. 그러나 그 형태와 특성은 라스 마르텐사이트와 라멜라 마르텐사이트 사이에 있어 흥미로운 탐구 주제가 되고 있습니다.

3.2 벗겨지는 마텐사이트

이 마르텐사이트는 매우 낮은 Ms 포인트를 나타내는 Fe-Ni-C 합금에서 발견되었습니다. 그림 14c에 표시된 것처럼 매우 얇은 3차원 형태의 띠로 나타나며, 이 띠가 서로 교차하고 꼬임, 가지 및 기타 독특한 모양을 나타냅니다.

그림 14 Ms 포인트로 냉각된 Fe-Ni-C 합금

동일한 온도에서 형성된 마르텐사이트의 미세 구조

이 마르텐사이트의 전자 현미경 구조는 그림 15에 나와 있습니다.

 그림 15 라멜라 마르텐사이트의 전자 현미경 구조(Fe-31%, Ni0.23% C, Ms=- 190 ℃, -196 ℃로 냉각)

조사 중인 물질은 중앙 융기가 없는 (112) α´ 루안 결정으로 구성된 완전한 루안 마르텐사이트로, 라멜라 마르텐사이트와 구별됩니다.

Fe-Ni-C 시스템 마르텐사이트의 형태는 형성 온도가 낮아짐에 따라 렌티큘러에서 라멜라로 변화하는 것으로 관찰되었습니다.

탄소 함량이 약 0.25%, Ms = -66℃인 Fe-Ni-C 합금의 구조는 그림 14a에 표시된 것처럼 폭발성 라멜라 마르텐사이트입니다.

그림 14b에서와 같이 Ms가 -150℃로 감소하면 소량의 라멜라 마르텐사이트가 나타나기 시작합니다.

Ms가 -171℃로 떨어지는 지점에서는 전체 구조가 라멜라 마르텐사이트로 구성됩니다(그림 14c 참조).

렌즈 시트에서 얇은 시트로의 전이 온도는 탄소 함량이 증가함에 따라 증가하는 것으로 밝혀졌습니다.

탄소 함량이 0.8%에 도달하면 라멜라 마르텐사이트의 형성 영역은 -100℃ 이하입니다.

변형 온도가 낮아짐에 따라 라멜라 마르텐사이트 변형 과정에서 새로운 마르텐사이트 시트가 지속적으로 형성될 뿐만 아니라 오래된 마르텐사이트 시트가 두꺼워지는 현상도 발생합니다.

라멜라 마르텐사이트에서는 오래된 마르텐사이트 시트의 두꺼워짐이 보이지 않습니다.

3.3 ε' 마텐사이트

위에서 언급한 모든 담비석은 몸체 중심의 입방체(α') 또는 몸체 중심의 정사각형 구조를 가지고 있습니다.

오스테나이트의 적층 단층 에너지가 낮은 합금에서는 조밀한 육각형 격자 ε' 마르텐사이트도 형성될 수 있습니다.

이 유형의 마르텐사이트는 높은 Mn-Fe-C 합금에서 널리 사용됩니다.

그러나 Fe-Cr-Ni 합금으로 대표되는 18-8 스테인리스강은 α'-마르텐사이트와 공존하는 경우가 많습니다.

ε' 마르텐사이트도 그림 16에 표시된 것처럼 얇습니다.

(111) γ 표면을 따라, 넓게 형성이 관찰되며, 수많은 적층 단층이 특징인 하부 구조가 관찰됩니다.

그림 16 Fe-16.4% Mn 합금의 마르텐사이트 미세 구조(질산염 알코올에 의한 부식)

2. 화학적 조성과 마르텐사이트 형태 및 합금의 내부 하부 구조 간의 관계

강철에 포함된 합금 원소의 존재는 마르텐사이트의 형태에 결정적인 영향을 미칩니다.

일반적인 예는 합금 함량이 증가함에 따라 Fe-C 및 Fe-Ni 합금의 마르텐사이트 모양이 라스에서 플레이크 모양으로 변한다는 것입니다. 예를 들어, Fe-C 합금의 경우 탄소 0.3% 이하에서는 마르텐사이트가 래스 모양을 띠고 탄소 1% 이상에서는 플레이크 모양이 됩니다. 0.3%~1.0% 탄소 범위에서는 두 가지 형태의 마르텐사이트가 모두 존재할 수 있습니다.

그러나 공급원마다 라스에서 라멜라 마르텐사이트로의 전환을 유발하는 농도가 일관되지 않을 수 있습니다. 이러한 변동성은 담금질 속도의 영향과 관련이 있으며, 담금질 속도가 빠를수록 트윈 마르텐사이트 형성에 필요한 최소 탄소 농도가 낮아집니다.

그림 17은 탄소 함량이 마르텐사이트의 유형, Ms 포인트 및 양에 미치는 영향을 보여줍니다. 유지된 오스테나이트 Fe-C 합금에서.

그림 17 탄소 함량이 Ms 포인트, 래스 마르텐사이트 함량 및 유지된 오스테나이트 함량(실온으로 담금질한 탄소강)

이 그림은 탄소 함량이 0.4%보다 낮은 강철에는 잔류 오스테나이트가 거의 포함되어 있지 않음을 보여줍니다.

탄소 함량이 증가함에 따라 Ms 포인트는 감소하고 루안 결정 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트의 양은 증가합니다.

표 2는 마르텐사이트 형태와 이원 철 합금의 조성 사이의 관계를 요약한 것입니다.

표 2 Fe 이원 합금의 마르텐사이트 형태학

표는 영역 γ의 모든 합금 원소가 라스 마르텐사이트로 변환되는 것을 보여줍니다.

확장된 P 영역의 합금 원소 농도가 증가함에 따라 마르텐사이트 형태의 변화와 함께 일반적인 Ms 포인트가 크게 감소합니다.

예를 들어 Fe-C, Fe-N, Fe-Ni, Fe-Pt 등과 같은 이원 합금의 경우 합금 원소 함량이 증가함에 따라 마르텐사이트 형태가 래스에서 플레이크로 변형됩니다.

그러나 Mn, Ru 및 Ir을 첨가하면 오스테나이트의 적층 단층 에너지를 크게 감소시켜 이원 철 합금의 합금 원소 함량이 증가하면서 마르텐사이트 형태가 라스에서 ε 마르텐사이트로 변경될 수 있습니다.

Fe-Cu 및 Fe-Co 합금은 확장된 γ 영역의 원소 중 예외입니다.

Cu는 팽창하는 Y존 원소의 일부이지만, Fe의 소량의 고용체는 상대적으로 안정적인 Ms 포인트로 이어져 수축하는 Y존 합금과 같은 경향을 보입니다.

Fe-Co 합금은 다른 합금과 비교할 때 독특합니다. Co 함량이 증가하면 Ms 포인트가 증가하여 특별한 경우가 됩니다.

일반적으로 합금에는 다양한 유형이 있습니다. 강철의 요소그러나 Fe-C 또는 Fe-Ni 합금에 세 번째 원소를 첨가하면 소량만 첨가해도 마르텐사이트 형태가 이원 합금의 형태와 크게 달라지지 않습니다.

앞서 언급했듯이 Fe-Ni-C 합금은 라스, 버터플라이, 렌즈 시트 및 얇은 시트 마르텐사이트를 형성할 수 있습니다. 이 네 가지 형태의 마르텐사이트의 형성 온도와 탄소 함량 및 Ms 점 사이의 관계는 그림 18에 나와 있습니다.

그림 18 마르텐사이트 형태, 탄소 함량 및 Fe-Ni-C 합금의 Ms 점 사이의 관계

그림은 탄소 함량이 증가함에 따라 렌티큘러 및 라멜라 마르텐사이트의 형성 온도가 증가하는 것을 보여줍니다.

그림은 또한 부화 영역이 있는 나비 마텐사이트의 형성 영역을 강조 표시합니다.

표 3은 철 기반 합금에서 마르텐사이트의 형태, 하부 구조 및 결정학적 특성 간의 관계를 요약한 것입니다.

표 3 Fe 시스템 마르텐사이트의 특성

강철에서 탄소 함량이 0.20% 미만인 마르텐사이트는 일반적으로 몸체 중심의 입방 격자 구조를 가진 것으로 간주됩니다. 탄소 함량이 0.20%보다 큰 마르텐사이트는 몸체 중심의 사각형 격자 구조를 가진 것으로 간주됩니다.

일반적으로 저탄소강에서 몸체 중심 입방 마르텐사이트는 전위 마르텐사이트와 동일하고, 몸체 중심 사방 마르텐사이트는 고탄소 트윈 마르텐사이트와 동일하다고 알려져 있습니다. 그러나 Fe-Ni 합금에서 트윈 마르텐사이트는 몸체 중심의 입방 구조를 가질 수도 있습니다.

그 결과 결정 구조와 하부 구조 사이의 관계는 여전히 불확실합니다.

3. 마르텐사이트의 형태와 하부 구조에 영향을 미치는 요인 3.

위의 논의는 합금 조성의 변화로 인한 마르텐사이트 형태 변화의 법칙을 다룹니다.

현재 이러한 변화에 영향을 미치는 요인에 대해서는 많은 논쟁이 있으며 명확한 합의가 이루어지지 않은 상태입니다.

형태적 변화는 본질적으로 하부 구조의 변화라는 것이 널리 알려져 있으며, 일반적인 관점은 다음과 같습니다:

1. Ms 포인트

이 관점을 지지하는 사람들은 마르텐사이트의 형태가 Ms 온도에 따라 달라진다고 믿습니다.

그들은 Fe-C 합금에서 탄소 함량이 증가하면 Ms 온도가 감소한다고 주장합니다.

특정 범위(300~320℃) 이하의 온도에서는 변형 쌍둥이와 그에 따른 라멜라 마르텐사이트의 형성이 더 쉬워집니다.

표 4는 마르텐사이트 형태, 탄소강의 결정 특성, 탄소 함량 및 Ms 온도 간의 관계를 간략하게 설명합니다.

표 4 탄소강의 마르텐사이트 형태와 결정학적 특성 및 탄소 함량과 Ms 포인트의 관계

Ms 포인트가 감소하면서 마르텐사이트 형태가 래스에서 플레이크로 변하는 것은 다음과 같이 설명할 수 있습니다:

표 4는 습성면과 마르텐사이트 형태 사이의 상관관계를 보여줍니다. 저탄소 마르텐사이트의 형성 온도는 일반적으로 (111) γ 평면이 큰 전단력으로 인해 습관면으로 작용하여 높은 것으로 여겨집니다. 이러한 고온에서는 슬립이 트위닝보다 발생하기 쉽고 면 중심 입방 격자에 (111) γ 결정계가 적어 마르텐사이트 형성을 위한 초기 배향이 제한되어 동일한 오스테나이트 내에서 군집된 마르텐사이트가 형성되는 결과를 초래합니다.

Ms 점의 온도가 낮아지면 슬립보다 트위닝이 더 쉽게 발생하고 습면이 (225) γ 또는 (259) γ로 이동합니다. 이러한 변화로 인해 마르텐사이트 형성을 위한 결정계와 초기 방향이 증가하여 동일한 오스테나이트 내에서 인접 시트가 서로 평행하지 않은 Li 결정 라멜라 마르텐사이트가 형성됩니다.

오스테나이트가 상당히 강화되더라도 고온 마르텐사이트 형성은 트윈 라멜라 마르텐사이트를 생성할 수 없다는 것이 밝혀졌습니다. Fe-Ni-C 합금의 Ms 포인트는 오스테나이트화 온도를 변경하여 변경할 수 있으므로 동일한 합금 내에서 다른 Ms 포인트를 얻을 수 있습니다.

냉각 온도가 해당 Ms 점보다 약간 낮으면 마르텐사이트 형태가 나비 모양에서 시트 모양으로 변화하는 것을 관찰할 수 있습니다. 또한 형성 온도의 감소는 변형 트윈 영역의 증가로 이어집니다.

동일한 합금에서 Ms 점 이상의 다양한 온도에서 형성된 변형 유도 마르텐사이트의 형태도 연구하여 변형 온도(즉, 변형 유도 마르텐사이트의 형성 온도)의 변화에 따라 마르텐사이트 형태가 변화한다는 것을 밝혀냈습니다. 이러한 연구 결과는 이러한 유형의 합금의 마르텐사이트 형태와 내부 구조가 전적으로 Ms 점과 관련이 있음을 확인시켜 줍니다.

또한, 그림 19와 같이 높은 압력과 Ms 포인트가 감소하면 변형 쌍둥이가 발생할 가능성이 높아져 마르텐사이트 형태가 라스에서 시트로 변화합니다. 이러한 실험적 증거는 Ms 포인트의 중요성을 뒷받침합니다.

그림 19 강자성 합금의 Ms 포인트 및 마르텐사이트 하부 구조에 대한 4000MPa 압력의 영향

실제 형성 과정에서는 여러 개의 담비석이 Ms와 Mf 지점 사이의 다양한 온도에서 연속적으로 생성됩니다.

각 마르텐사이트 결정이 형성되는 온도는 고유하므로 각 마르텐사이트 결정의 내부 구조와 형태도 고유합니다.

따라서 마르텐사이트의 형태와 내부 구조에 영향을 미치는 것은 Ms점이 아니라 형성 온도라고 말하는 것이 더 정확합니다.

2. 오스테나이트의 적층 단층 에너지

Kelly 등에 따르면, 오스테나이트의 적층 단층 에너지가 낮을수록 베이나이트 결정으로의 변환이 더 어려워지고 라스 마르텐사이트가 형성될 가능성이 높다는 가설을 제안합니다.

18-8 스테인리스강과 Fe-8% Cr-1.1% C 합금 모두 적층 결함 에너지가 낮습니다. 액체 질소 온도에서 전위 마르텐사이트가 형성됩니다. 이 현상은 Ms 포인트 가설로는 설명하기 어렵지만 이 가설로 설명할 수 있습니다.

또한 Fe-30~33% Ni 합금의 라멜라 마르텐사이트에서는 Ni 함량이 증가함에 따라 변형 쌍둥이 영역이 증가합니다. Ni는 오스테나이트의 적층 단층 에너지를 증가시키는 것으로 알려져 있기 때문에 이 실험 현상은 가설을 뒷받침합니다.

이 실험 현상은 Ni가 Ms 포인트를 감소시키기 때문에 Ms 포인트 이론으로도 설명할 수 있다는 점에 주목할 필요가 있습니다.

3. 오스테나이트와 마르텐사이트의 강도

최근 데이비스와 마지는 오스테나이트의 강도와 마르텐사이트의 형태 사이의 관계에 관한 가설을 제안했습니다. 그들은 합금 방법을 사용하여 오스테나이트의 강도를 변경하고 그에 따른 마르텐사이트의 형태 변화를 연구했습니다.

그 결과 마르텐사이트 형태는 오스테나이트의 강도에 따라 변화한다는 사실이 밝혀졌습니다. 항복 강도 에서 약 206MPa입니다. 이 경계 위에는 {259} γ의 습관면을 가진 라멜라 마르텐사이트가 형성됩니다. 이 경계 아래에는 습면이 {111} γ인 래스 마르텐사이트 또는 습면이 {225} γ인 라멜라 마르텐사이트가 형성됩니다.

그 결과 데이비스와 메이지는 오스테나이트의 강도가 마르텐사이트의 형태에 영향을 미치는 주요 요인이라고 생각합니다. 그들은 또한 마르텐사이트의 강도를 추가로 조사했습니다. 오스테나이트의 강도가 206MPa보다 낮을 때 결과물인 마르텐사이트의 강도가 높으면 {225}γ 마르텐사이트로 형성됩니다. 마르텐사이트의 강도가 낮으면 {111}γ 마르텐사이트가 형성됩니다.

이 가설은 합금 조성이나 Ms 점의 변화로 인한 형태학적 변화, 특히 Fe Ni 합금에서 {111}γ에서 {225}γ로, Fe-C 합금에서 {111}γ에서 {225}γ에서 {259}γ로의 변환을 설명하는 데 적용할 수 있습니다.

또한 이 가설은 과거에는 잘 정의되지 않았던 {225}γ 마르텐사이트의 형성에 대한 명확한 이해를 제공합니다. 약한 오스테나이트가 강한 마르텐사이트로 변할 때 형성됩니다.

탄소는 오스테나이트의 강화에는 제한적인 영향을 미치지만 마르텐사이트의 강화에는 상당한 영향을 미칩니다. {225}γ 마르텐사이트는 주로 탄소 함량이 높은 합금 시스템에서 발생합니다.

이 가설의 근거는 다음과 같습니다:

마르텐사이트의 변형 응력 이완이 오로지 트위닝 변형으로만 발생하는 경우, 결과 마르텐사이트는 습관 평면 {259} γ를 갖게 됩니다.

변형 응력의 이완이 슬립 모드를 통해 오스테나이트에서 부분적으로, 트위닝 모드를 통해 마르텐사이트에서 부분적으로 수행되면 마르텐사이트는 습관 평면 {225} γ를 갖게 됩니다.

마텐사이트도 슬라이딩 모드를 거치면 습관 평면은 {111} γ가 됩니다.

실험 결과에 따르면 이 가설은 부분적으로 맞지만 앞으로 더 많은 연구가 필요하다는 것을 알 수 있습니다.

이 가설에서 설명한 오스테나이트와 마르텐사이트의 강도는 합금 조성, 유형, Ms 포인트, 오스테나이트 적층 단층 에너지 등과 같은 다양한 요인과 밀접한 관련이 있다는 점에 유의해야 합니다. 따라서 이 가설은 고립된 것으로 간주할 수 없습니다.

4. 마르텐사이트 미끄러짐 및 트윈 변형의 임계 전단 응력

이 가설은 마르텐사이트의 내부 구조가 주로 변형 중 변형 모드에 의해 결정되며, 이는 주로 슬립 또는 트윈의 임계 전단 응력에 의해 제어된다는 점을 강조합니다.

그림 20은 마르텐사이트 슬립 또는 트윈의 임계 전단 응력과 마르텐사이트 형태 형성에 대한 Ms 및 Mf의 온도가 마르텐사이트 형태 형성에 미치는 영향을 보여줍니다.

그림 20 마르텐사이트 슬립 또는 트윈으로 인한 마르텐사이트 형태에 대한 임계 전단 응력 및 Ms Mf 온도의 영향에 대한 개략도

그림의 화살표는 합금 조성의 변화로 인해 발생하는 해당 선의 잠재적 이동 방향을 나타냅니다. 선의 움직임은 슬립 트윈 커브의 교차점의 움직임으로 이어집니다.

그림에서 저탄소강(Ms 및 Mf 포인트가 모두 높은 경우)의 경우 슬립에 필요한 임계 전단 응력이 트위닝에 필요한 전단 응력보다 작아 전위 밀도가 높은 라스 마르텐사이트가 형성되는 것을 볼 수 있습니다. 반대로, 고탄소강(Ms 점과 Mf 점이 모두 낮은 경우)의 경우 트위닝에 필요한 임계 전단 응력이 작아 쌍둥이 수가 많은 라멜라 마르텐사이트가 형성됩니다.

탄소 함량이 중간인 경우, Ms 및 Mf 포인트는 그림과 같습니다. 마르텐사이트가 변형되는 동안 라스 마르텐사이트가 먼저 형성되고 그다음에 라멜라 마르텐사이트가 형성됩니다. 그 결과 두 가지 유형의 마르텐사이트가 혼합된 구조가 됩니다.

이 견해는 근본적으로 올바른 것으로 보이지만, 전단 응력의 변화를 일으키는 요인과 합금 조성 또는 Ms 포인트가 마르텐사이트 슬립 또는 트위닝의 임계 전단 응력에 어떤 영향을 미치는지는 아직 명확하지 않습니다.

일부에서는 변형 추진력의 증가가 라멜라 마르텐사이트로의 변형으로 이어진다고 생각합니다. Fe-C 합금의 경우 마르텐사이트 형태 변화에 대한 구동력의 한계는 1318 J/mol이며, Fe-Ni 합금의 경우 1255~1464 J/mol 범위입니다. 다른 사람들은 마르텐사이트의 C 및 N 함량이 증가하여 질서를 유발하는 것이 형태 변형과 밀접한 관련이 있다고 생각합니다.

4. Fe-C 합금에서 라멜라 마르텐사이트 미세 균열의 형성

고탄소강을 담금질하면 마르텐사이트에 미세 균열이 생기기 쉽습니다.

이전에는 이러한 미세 균열이 마르텐사이트 변환 과정에서 부피 팽창으로 인한 미세 응력의 결과라고 생각했습니다.

그러나 최근의 금속학적 관찰에 따르면 미세 균열의 형성은 실제로 그림 21에서와 같이 성장하는 마르텐사이트의 충돌로 인한 것으로 밝혀졌습니다.

그림 21. 두 개의 Fe-C 마르텐사이트 시트가 충돌하여 형성된 미세 균열의 모식도. (섹션 A-A는 두 개의 마르텐사이트 시트로 확산된 한 마르텐사이트 시트의 단면을 나타냅니다.)

마르텐사이트의 형성은 빠르게 발생합니다. 마르텐사이트 시트가 서로 충돌하거나 오스테나이트 입자 경계와 충돌하면 충격으로 인해 상당한 응력장이 생성됩니다.

고탄소 마르텐사이트는 매우 부서지기 쉽고 미끄러짐이나 쌍둥이 변형으로 완화할 수 없기 때문에 충격 균열이 발생하기 쉽습니다.

이 고유 결함은 고탄소 마르텐사이트 강의 취성을 증가시킵니다.

열 응력 및 구조적 응력과 같은 다른 스트레스 요인의 영향을 받으면 미세 균열이 거대 균열로 커지게 됩니다.

미세 균열이 있으면 부품의 피로 수명도 크게 줄어듭니다.

그림 22에서 볼 수 있듯이 Fe-C 합금의 라멜라 마르텐사이트의 미세 균열은 여러 방사형 마르텐사이트 바늘의 접합부 또는 마르텐사이트 바늘 내부에서 발생하는 경우가 많습니다.

그림 22 Fe-1.39% C 합금 마르텐사이트의 미세 균열의 광학 현미경 특성

마르텐사이트의 미세 균열 형성 민감도는 일반적으로 마르텐사이트 단위 부피당 미세 균열 면적(Sv)으로 표현됩니다.

실험적 증거에 따르면 마르텐사이트의 미세 균열 형성에 대한 민감도는 다음과 같은 여러 요인에 의해 영향을 받는다고 합니다:

1. 냉각 온도 담금질 효과

담금질 냉각 온도가 감소함에 따라 담금질된 강철 구조물에서 잔류 오스테나이트(γR로 표시)의 양이 감소하여 그림 23에 표시된 것처럼 마르텐사이트의 양과 미세 균열 형성에 대한 민감도가 증가합니다.

그림 23 Fe-C 마르텐사이트 형성 미세 균열 감도와 담금질 온도(1.39% C, 1200℃에서 1시간 동안 가열)의 관계

2. 마르텐사이트 변환량의 효과

그림 24는 마르텐사이트 변형의 양과 미세 균열 형성의 민감성 사이의 관계를 보여줍니다.

그림 24 Fe-1.86% C 합금에서 마르텐사이트 형성의 미세 균열 감도(SV)와 각 마르텐사이트 조각의 평균 부피(V), 단위 부피 내 마르텐사이트 시트 수(NV) 및 마르텐사이트의 변형 사이의 관계:

그림에 따르면 마르텐사이트 변형 변수가 증가함에 따라 미세 균열 형성 감도(Sv)가 증가하지만, 변형 계수(f)가 0.27을 초과하면 Sv는 계속 증가하지 않습니다.

단위 부피(Nv)의 마르텐사이트 수가 증가하더라도 마르텐사이트 조각의 평균 부피(V)로 표시되는 마르텐사이트 시트의 크기는 오스테나이트의 지속적인 분열로 인해 감소합니다.

따라서 마르텐사이트 시트의 크기(V)는 미세 균열 형성에 대한 민감도(Sv)에 영향을 미치는 임계값을 가질 수 있습니다. V가 이 임계값을 초과하면 변형률의 증가에 따라 미세 균열 형성에 대한 감도(Sv)가 증가합니다.

결론적으로, 균열의 형성은 주로 마르텐사이트 시트의 크기에 의해 결정됩니다. 마르텐사이트 변형 변수가 증가함에 따라 균열의 총 개수와 면적이 증가할 수 있지만, 초기 단계에서 형성된 큰 마르텐사이트 플레이크는 변형 초기에 대부분의 균열을 형성하게 됩니다.

3. 마르텐사이트 시트 길이의 영향

실험 결과, 마르텐사이트 시트의 길이가 증가함에 따라(즉, 시트의 최대 크기가 커짐에 따라) 그림 25에 표시된 것처럼 미세 균열 형성에 대한 마르텐사이트의 민감도도 증가하는 것으로 나타났습니다.

그림 25 미세 균열 형성 감도와 마르텐사이트 시트의 길이 사이의 관계(점 옆의 숫자는 마르텐사이트 함량%)

긴 마르텐사이트 시트는 크기 때문에 다른 마르텐사이트 시트의 영향을 더 받기 쉽습니다. 또한 오스테나이트 입자와 교차하는 경향이 있어 입자 경계에 부딪힐 가능성이 높아집니다.

실험에 따르면 미세 균열은 주로 거친 마르텐사이트에서 형성되는 반면, 미세 마르텐사이트에서는 미세 균열이 거의 형성되지 않는 것으로 나타났습니다.

결과적으로 마르텐사이트에 미세 균열이 발생하는 임계 마르텐사이트 크기가 존재할 가능성이 높습니다. 마찬가지로 오스테나이트의 조성이 비교적 균일하다면 미세 균열이 발생하지 않는 임계 오스테나이트 입자 크기가 있을 것입니다.

미세한 오스테나이트 입자가 담금질된 고탄소강에서 미세 균열을 줄일 수 있다는 아이디어가 생산에 구현되었습니다. 그러나 미세 균열에 대한 민감도가 마르텐사이트 시트 자체의 크기 또는 임계 크기의 마르텐사이트 시트의 성장에 의해 생성되는 응력장에 따라 달라지는지는 아직 불분명합니다.

4. 오스테나이트 입자 크기의 영향

균질 오스테나이트의 경우, 초기 단계에서 형성된 마르텐사이트 시트의 길이는 오스테나이트 입자의 크기와 관련이 있습니다. 오스테나이트 입자가 굵으면 미세 균열이 형성되기 쉬운 거친 마르텐사이트가 형성됩니다.

그림 26에 표시된 실험 결과는 이러한 생각을 뒷받침합니다. 결과에 따르면 고탄소강은 더 높은 온도에서 담금질할 때 균열이 발생하기 쉽다는 것을 알 수 있습니다.

따라서 일반적으로 고탄소강 담금질에는 더 낮은 담금질 온도를 선택하는 것이 좋습니다.

그림 26 탄소강의 오스테나이트 입자 크기(1.22% C)가 현장 미세균열 감도에 미치는 영향

5. 마르텐사이트의 탄소 함량 영향

마르텐사이트의 미세 균열 형성에 대한 탄소 함량의 영향은 그림 27에서 확인할 수 있습니다.

그림 27 마르텐사이트의 탄소 함량이 미세 균열 감도에 미치는 영향

그림 27에서 마르텐사이트의 탄소 함량이 증가함에 따라 미세 균열이 형성될 가능성이 증가한다는 것을 알 수 있습니다.

그러나 오스테나이트의 탄소 함량이 1.4%보다 크면 미세 균열 형성에 대한 민감도가 감소합니다. 이는 마르텐사이트가 변형되는 동안 결정의 습관면과 관련이 있습니다.

강철의 탄소 함량이 1.4%를 초과하면 마르텐사이트의 모양이 변합니다. 시트가 더 두껍고 짧아지고 마르텐사이트 시트 사이의 각도가 작아지며 충격력과 응력이 감소합니다. 결과적으로 미세 균열 형성에 대한 민감도가 감소합니다.

표 5는 마르텐사이트의 탄소 함량이 감소함에 따라 1.39% 탄소강의 미세 균열 형성에 대한 민감도가 크게 감소하는 것을 보여줍니다. 데이터는 입자 크기 3에 대해 표시됩니다.

금속학적 분석에 따르면 미세 균열 감도의 감소는 미세 구조에서 더 많은 평행 성장 라스 마르텐사이트의 존재와 관련이 있는 것으로 나타났습니다.

래스 마르텐사이트는 가소성과 인성이 높으며, 래스 마르텐사이트의 평행 성장으로 인해 상호 충격의 위험이 감소하여 미세 균열에 대한 민감도가 낮습니다.

앞서 언급했듯이 고탄소강은 거친 오스테나이트 입자 구조와 마르텐사이트의 높은 탄소 함량으로 인해 균열이 발생하기 쉽습니다. 이를 완화하기 위해 생산 공정에서는 마르텐사이트의 탄소 함량을 낮추고 더 미세한 입자를 얻기 위해 더 낮은 가열 온도와 더 짧은 유지 시간을 사용하는 경향이 있습니다.

일반적으로 불완전 담금질을 거치는 하이퍼유텍토이드 강은 미세 균열이 잘 생기지 않는 비정질 마르텐사이트를 생성합니다. 이 때문에 전반적인 특성이 우수합니다.