스테인리스 스틸 등급: 궁극의 가이드
스테인리스 스틸의 다양한 종류와 그 용도에 대해 궁금한 적이 있나요? 이 블로그 게시물에서는 스테인리스 스틸 등급의 세계에 대해 자세히 알아보고 스테인리스 스틸의 고유한 특징을 살펴봅니다.
강철이 식으면 어떻게 되는지 궁금한 적이 있나요? 이 글에서는 비드만슈타텐 및 마르텐사이트 구조와 같은 흥미로운 변형이 일어나는 과정을 살펴봅니다. 이러한 변화가 강철의 특성에 어떤 영향을 미치는지, 그리고 실제 응용 분야에서 이러한 변화가 중요한 이유를 알게 될 것입니다. 강철의 강도와 내구성 뒤에 숨겨진 비밀을 알아낼 준비를 하세요!
실제 생산에서는 탄소 함량(ωc)이 0.6% 미만인 저유전체강과 탄소 함량이 1.2% 이상인 초유전체강은 주조, 열간 압연 및 단조 후 공기로 냉각합니다. 그리고 용접 솔기 또는 열 영향 구역은 공기에 의해 냉각되거나 온도가 너무 높으면 급속히 냉각됩니다. 그 결과 오스테나이트의 특정 결정면을 따라 오스테나이트 입자 경계에서 바늘 모양으로 프리유텍토이드 페라이트 또는 프리유텍토이드 시멘타이트가 성장 및 침전됩니다.
금속 현미경으로 보면 거의 평행하거나 규칙적으로 배열된 침상 페라이트 또는 시멘타이트와 그 사이의 펄라이트 구조를 관찰할 수 있습니다. 이 구조를 위드만슈타텐이라고 하며, 다음 그림은 페라이트와 시멘타이트의 위드만슈타텐을 보여줍니다.
비드만슈타텐 페라이트는 바이나이트의 공정과 유사한 전단 메커니즘을 통해 형성됩니다. 그 결과 볼록한 샘플이 생성됩니다.
형성 중 냉각 속도가 높기 때문에 페라이트는 다음과 같은 특정 결정 표면에서만 침전할 수 있습니다. 오스테나이트 모상인 오스테나이트와 결정 배향 관계가 있습니다.
침상 페라이트의 형성은 오스테나이트에서 직접 발생하거나 네트워크 페라이트가 오스테나이트의 입자 경계를 따라 침전되어 결정으로 병렬로 성장할 수 있습니다.
비드만슈타텐 페라이트가 형성되면서 탄소는 페라이트에서 양쪽의 모상인 오스테나이트로 확산하여 탄소 함량 의 오스테나이트가 페라이트 바늘 사이에서 지속적으로 증가하여 결국 펄라이트로 변합니다.
바이나이트 변환 메커니즘을 통해 형성된 비드만슈타텐 페라이트는 실제로 탄소가 없는 바이나이트입니다.
비드만슈타텐 구조의 형성은 탄소 함량, 오스테나이트의 입자 크기, 강철의 냉각 속도(변형 온도)에 따라 달라집니다.
다음 그림은 다양한 페라이트와 시멘타이트의 형성 온도와 탄소 함량 범위를 보여줍니다. 그림에서 볼 수 있듯이 비드만슈타텐 구조(W 영역)는 상대적으로 빠른 냉각 속도와 특정 탄소 함량 범위 내에서만 형성될 수 있습니다.
저유전체강의 경우 탄소 질량 분율이 0.6%를 초과하면 탄소 함량이 높고 탄소 부족 영역을 형성할 확률이 낮아 비드만슈타텐 구조를 형성하기 어려워집니다.
연구에 따르면 저유텍토이드 강의 경우 탄소 함량이 ωc = 0.15% ~ 0.35%의 좁은 범위 내에 있고 냉각 속도가 빠르며 오스테나이트 입자 크기가 미세한 경우에만 비드만슈타텐 구조가 형성될 수 있습니다.
오스테나이트 입자가 미세할수록 네트워크 페라이트는 형성하기 쉽지만 비드만슈타텐 구조는 형성하기 어렵습니다. 반면 오스테나이트 입자가 거칠수록 비드만슈타텐 구조를 형성하기가 더 쉬워지고 이를 형성하는 데 필요한 탄소 함량의 범위가 더 넓어집니다.
따라서 비드만슈타텐 구조는 일반적으로 거친 오스테나이트 입자 구조를 가진 강철에서 관찰됩니다.
(1) 위드만슈타텐은 강철의 기계적 특성에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 강철의 과열 구조의 일종입니다. 여기에는 충격 인성 및 가소성의 감소뿐만 아니라 취성 전이 온도의 증가가 포함되어 강철이 취성 골절에 더 취약해집니다.
(2) 오스테나이트 입자가 거칠어지고 거친 페라이트 또는 시멘타이트 위드만슈타텐 구조가 나타나고 매트릭스가 심각하게 파편화된 경우에만 강철의 강도와 충격 인성이 크게 감소한다는 것이 널리 알려져 있습니다.
그러나 오스테나이트 입자가 비교적 미세한 경우 침상 페라이트 비드만슈타텐 구조가 소량 존재하더라도 강철의 기계적 특성에 큰 영향을 미치지 않습니다. 이는 비드만슈타텐 구조의 하부 구조가 더 미세하고 페라이트의 전위 밀도가 높기 때문입니다.
(3) 비드만슈타텐 구조로 인한 강철의 기계적 특성 감소는 항상 오스테나이트 입자의 거칠어짐과 관련이 있습니다. 강철 또는 주강에 비드만슈타텐 구조가 나타나 기계적 특성이 저하되는 경우, 가장 먼저 높은 가열 온도로 인한 오스테나이트 입자의 거칠어짐이 원인인지 고려해야 합니다.
(4) 비드만슈타텐 구조가 발생하기 쉬운 강재의 경우 압연 공정의 적절한 제어, 최종 단조 온도 감소, 단조 후 냉각 속도 제어 또는 다음과 같은 열처리 공정 변경을 통해 예방 또는 제거할 수 있습니다. 담금질 및 템퍼링, 노멀라이징, 어닐링 또는 등온 담금질로 입자를 정제합니다.
1. 정의
(1) 마르텐사이트 변환: 강철이 확산 분해를 방지하기 위해 오스테 나이트 상태에서 빠르게 냉각 될 때 발생하는 비 확산 상 변환 ( MS 포인트)를 마르텐사이트 변환이라고 합니다.
변형은 마텐사이트의 특징이며 변형 제품은 모두 마텐사이트라는 점에 유의하는 것이 중요합니다.
(2) 마르텐사이트: 본질적으로 강철의 마르텐사이트는 탄소가 α-Fe로 과포화되어 있는 간질성 고체 용액입니다.
2. 크리스탈 마르텐사이트의 구조
마르텐사이트 결정 구조는 다음과 같은 형태를 취할 수 있습니다:
3. 마르텐사이트의 미세 구조
강철에는 라스 마르텐사이트(전위 마르텐사이트)와 라멜라 마르텐사이트(니들 마르텐사이트라고도 함)라는 두 가지 기본 형태의 마르텐사이트가 있습니다.
(1) 라스 마텐사이트
라스 마르텐사이트는 저탄소강, 중탄소강, 마징강, 스테인리스강 및 기타 철 기반 합금에서 흔히 볼 수 있는 마르텐사이트 구조입니다.
a) 구조적 형태: 마르텐사이트 래스(D) → 마르텐사이트 번들(B-2, C-1) → 래스 그룹(3-5) → 래스 마르텐사이트.
b) 고밀도 래스는 일반적으로 탄소 함량이 높은 잔류 오스테나이트에 의해 분리됩니다.
이 얇은 잔류 오스테나이트 층이 존재하면 강철의 기계적 특성이 크게 향상될 수 있습니다.
c) 라스 마르텐사이트에는 많은 수의 탈구가 있으며, 이러한 탈구의 분포가 균일하지 않습니다.
탈구 세포라고 하는 세포 하부 구조를 형성하므로 탈구 마르텐사이트라고도 합니다.
(2) 라멜라 마르텐사이트
라멜라 마르텐사이트는 고탄소강(ωC > 0.6%), 니켈(ωNi = 30%) 스테인리스강, 일부 비철금속 및 합금에서 발견됩니다.
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(a) 구조적 형태: 라멜라 마르텐사이트의 공간적 형태는 볼록 렌즈 형태입니다.
연마하는 동안 샘플이 절단되기 때문에 단면이 광학 현미경으로 바늘 모양 또는 대나무 잎 모양으로 보입니다.
따라서 라멜라 마르텐사이트는 바늘 모양의 마르텐사이트 또는 대나무 잎 모양의 마르텐사이트라고도 합니다.
(b) 미세 구조 특성: 라멜라 마르텐사이트의 마르텐사이트 시트는 서로 평행하지 않습니다.
오스테나이트 입자에서 첫 번째 시트에 의해 형성된 마르텐사이트는 종종 전체 오스테나이트 입자에 걸쳐 두 부분으로 분할되어 나중에 형성되는 마르텐사이트 시트의 크기가 점점 더 작아집니다.
(c) 크기: 라멜라 마르텐사이트의 최대 크기는 오스테나이트 입자의 원래 크기에 따라 달라집니다. 오스테나이트 입자가 클수록 마르텐사이트 시트는 더 거칠어집니다.
(d) 암호결정 마르텐사이트: 마르텐사이트의 가장 큰 조각이 너무 작아서 광학 현미경으로 구별할 수 없는 경우, 이를 "암호결정 마르텐사이트"라고 합니다.
생산 과정에서 일반적인 담금질을 통해 얻은 마르텐사이트는 일반적으로 비정질 마르텐사이트 형태입니다.
(e) 하부 구조: 라멜라 마르텐사이트의 하부 구조는 주로 쌍둥이로 이루어져 있어 트윈 마르텐사이트라고도 불립니다.
쌍둥이는 일반적으로 마르텐사이트의 중앙에 위치하며 마르텐사이트 시트의 가장자리 영역으로 확장되지 않습니다. 가장자리 영역에는 고밀도 전위가 포함되어 있습니다.
탄소 함량이 ωC > 1.4%인 강철에서는 마르텐사이트 시트의 중간 융기 라인에서 고밀도의 미세한 쌍둥이 영역을 볼 수 있습니다.
(f) 미세 균열: 마르텐사이트의 빠른 형성은 다른 마르텐사이트 또는 오스테나이트 입자 경계와 충돌할 때 상당한 응력장을 생성합니다.
라멜라 마르텐사이트는 단단하고 부서지기 쉬우며, 미끄러짐이나 쌍둥이 변형으로 응력이 완화되지 않아 충격 균열이 발생하기 쉽습니다.
일반적으로 오스테나이트 입자가 크고 마르텐사이트 시트가 클수록 담금질 후 더 많은 미세 균열이 형성됩니다. 미세 균열이 있으면 고탄소강 부품의 취성이 증가합니다.
의 영향을 받아 내부 스트레스미세 균열은 결국 거시 균열로 확대되어 공작물에 균열이 생기거나 피로 수명이 눈에 띄게 감소합니다.
(g) 형태: 마르텐사이트의 형태는 주로 오스테나이트의 탄소 함량에 따라 달라지며 강철의 마르텐사이트 변형 시작 온도(MS 점)와 관련이 있습니다.
오스테나이트의 탄소 함량이 높을수록 MS 및 MF 포인트가 낮아집니다.
| 탄소 함량 | 모양 | 형성 온도(일반) |
| ωC＜0.2% | 라스 마텐사이트 | 200℃ 이상 |
| ωC>0.6% | 플레이트 마르텐사이트 | 200 ℃ 이하 |
| ωC=0.2%~1% | 래스와 시트 혼합 구조 | 보드 말이 먼저 형성된 다음 조각 말이 형성됩니다. |
(h) 마르텐사이트 형태에 대한 원소의 영향: Cr, Mo, Mn, Ni(MS 포인트를 낮추는 원소)와 Co(MS 포인트를 높이는 원소)는 모두 라멜라 마르텐사이트를 형성할 가능성을 높입니다.
4. 마르텐사이트의 특성
(1) 기계적 특성: 마르텐사이트는 높은 강도 및 경도.
(2) 탄소 함량이 물성에 미치는 영향: 마르텐사이트의 경도는 주로 탄소 함량에 따라 달라집니다.
ωC < 0.5%일 때 마르텐사이트의 경도는 탄소 함량이 증가함에 따라 가파르게 상승합니다.
그러나 ωC가 0.6%를 초과하면 마르텐사이트의 경도는 증가하지만 더 많은 양의 잔류 오스테나이트가 존재하기 때문에 강철의 경도는 감소합니다.
(3) 합금 원소의 영향: 합금 원소는 마르텐사이트의 경도에 미치는 영향은 미미하지만 강도를 향상시킬 수 있습니다.
(4) 경도: 마르텐사이트는 다양한 수준의 경도 및 강도주로 용액 강화, 상 변환 강화, 노화 강화를 통해 이루어집니다.
자세한 내용은 다음과 같습니다:
고체 솔루션 강화: α-상 격자의 팔면체 틈새에 간극 원자가 존재하면 격자에 정사각형 왜곡이 발생하여 응력장이 생성됩니다.
이 응력장은 전위와 강력하게 상호작용하여 마르텐사이트의 강도를 향상시킵니다.
상 변환 강화: 마르텐사이트로 변환하는 동안 결정에 고밀도 격자 결함이 형성됩니다. 라스 마르텐사이트의 고밀도 전위와 라멜라 마르텐사이트의 쌍둥이는 전위 이동을 억제하여 마르텐사이트를 강화합니다.
노화 강화: 마르텐사이트가 형성된 후, 탄소와 합금 원소 원자는 전위 또는 기타 격자 결함으로 확산, 분리 또는 침전되어 전위를 고정하고 전위가 이동하기 어렵게 만들어 마르텐사이트를 강화합니다.
(5) 마르텐사이트 강도: 마르텐사이트 래스 그룹 또는 시트의 크기가 작을수록 마르텐사이트의 강도가 높아집니다. 이는 마르텐사이트의 상 계면이 전위 이동을 방해하고 원래 오스테나이트 입자가 작을수록 마르텐사이트의 강도가 높아지기 때문입니다.
마르텐사이트의 가소성과 인성은 주로 하부 구조에 따라 달라집니다. 트윈 마르텐사이트는 강도는 높지만 인성이 낮은 반면, 전위 마르텐사이트는 강도와 인성이 모두 높습니다.
(6) 마르텐사이트 부피: 강철의 다양한 구조 중 오스테나이트는 비부피가 가장 작고 마르텐사이트는 비부피가 가장 큽니다.
따라서 담금질 중 강철의 부피 팽창은 대규모의 내부 스트레스변형, 심지어 공작물에 균열이 생길 수도 있습니다.
마르텐사이트 변환의 원동력은 다른 고상 변환과 마찬가지로 새로운 상(마르텐사이트)과 모상(오스테나이트) 사이의 단위 부피당 화학적 자유 에너지 차이에 있습니다. 이 상 변화에 대한 저항은 또한 새로운 상이 형성되는 동안 생성되는 계면 에너지와 변형 에너지의 영향을 받습니다.
오스테나이트와 마르텐사이트 사이에 일관된 계면이 존재함에도 불구하고 계면 에너지는 작습니다. 마르텐사이트와 오스테나이트 사이의 비부피 차이가 크고 전단 저항을 극복하고 수많은 격자 결함을 생성해야 하기 때문에 큰 일관된 변형 에너지는 탄성 변형 에너지를 증가시키고 마르텐사이트의 변형에 대한 큰 저항으로 이어집니다. 결과적으로 변형 추진력이 변형 저항을 초과하여 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 변형이 일어나도록 하려면 충분한 과냉각이 필요합니다.
마르텐사이트 변환의 시작 온도는 "ms"로 표시되며, 마르텐사이트와 오스테나이트 사이의 자유 에너지 차이가 변환에 필요한 최소 구동력에 도달하는 온도로 정의됩니다.
마르텐사이트 변형은 저온에서 발생하는 저냉각 오스테나이트의 변형입니다.
펄라이트 변환 및 베이나이트 변환과 비교하여 마르텐사이트 변환은 다음과 같은 특징이 있습니다:
마르텐사이트 변환은 오스테나이트가 저냉각될 때 발생합니다. 이때 철 원자, 탄소 원자 또는 합금 원소의 활성도가 매우 낮기 때문에 확산 없이 변형이 일어납니다. 격자 규칙의 재구성만 있을 뿐, 새로운 상과 모상 사이의 조성 변화는 없습니다.
전단이란 동일한 물체에 작용하는 가깝고 크기가 같으며 방향이 반대인 두 개의 평행한 힘에 의해 발생하는 변형을 말합니다. 마르텐사이트가 변형되는 동안 미리 연마된 시편의 윗면이 기울어지고 볼록해지는데, 이는 마르텐사이트의 변형이 모상의 거시적 특성과 직접 관련이 있으며 전단을 통해 마르텐사이트가 형성된다는 것을 보여줍니다.
마르텐사이트와 그 모상인 오스테나이트는 계면의 원자가 마르텐사이트와 오스테나이트 모두에 속하는 일관된 상태를 유지합니다. 상 계면은 습관면이라고도 하는 전단 일관된 입자 경계입니다.
마르텐사이트 변환은 모상의 특정 결정면과 습면 위에 새로운 상이 형성되고 모상의 전단을 통해 일관성을 유지하는 상 변환 과정입니다.
마르텐사이트의 핵 형성
마르텐사이트 핵 형성은 합금 전체에 균일하지 않고 격자 결함, 변형 영역 또는 탄소가 부족한 영역과 같은 모상 내 유리한 위치에서 발생합니다.
마르텐사이트 변환 프로세스
다른 고체 상 전이와 마찬가지로 마르텐사이트 변환도 핵 형성과 성장을 통해 발생합니다. 이 변환은 원자의 단거리 이동이며 결정 핵이 형성된 후에는 성장 속도가 매우 빠르고(102~106mm/s) 저온에서도 높은 상태를 유지합니다.
마르텐사이트 변환 속도
마르텐사이트 변환 속도는 핵 생성 속도에 의해 결정되며 임계 핵 생성 반경보다 큰 핵이 모두 소진되면 종료됩니다. 과냉각이 클수록 임계 핵 생성 크기가 작아집니다. 더 작은 핵이 핵을 형성하고 마르텐사이트로 성장하려면 더 많은 냉각이 필요합니다.
일반 산업용 탄소강 및 합금강마르텐사이트 변형은 연속(가변 온도) 냉각 중에 발생합니다. 강철의 오스테나이트는 임계 담금질 속도보다 빠른 속도로 MS점 이하로 냉각되어 일부 마르텐사이트가 즉시 형성됩니다. 이 변형에는 잠복기가 없으며, 온도가 낮아지면 처음 형성된 마르텐사이트는 성장하지 않고 추가 마르텐사이트가 형성됩니다. 마르텐사이트 변형은 온도가 낮아질수록 증가합니다.
마르텐사이트 변형의 양은 냉각 중에 도달한 온도에 의해서만 결정되며 유지 시간의 영향을 받지 않습니다.
보유 오스테나이트
고탄소강 및 많은 합금강의 Ms점이 실온 이상이고 Mf점이 실온 이하인 경우, 담금질 및 실온으로 냉각한 후에도 상당량의 미변형 오스테나이트가 남아있게 됩니다. 유지된 오스테나이트.
완전히 혁신하려면 유지된 오스테나이트액체 질소에 넣는 등 '저온 처리'를 할 수 있습니다.
잔류 오스테나이트의 양에 영향을 미치는 요인으로는 높은 탄소 함량과 MS를 감소시키는 원소의 존재 등이 있습니다.
잔류 오스테나이트의 기계적 안정화
오스테나이트의 기계적 안정화는 담금질 중 큰 소성 변형이나 압축 응력에 의해 발생하는 안정화 현상을 말합니다. 잔류 오스테나이트는 기계적 안정화와 관련이 있습니다. 마르텐사이트로 둘러싸인 오스테나이트는 압축된 상태이며 변형이 불가능하여 유지됩니다.
변형 유발 마르텐사이트(변형 마르텐사이트)
오스테나이트가 MS점 이상으로 소성 변형되면 마르텐사이트 변형이 발생할 수 있습니다. 변형의 양이 클수록 마르텐사이트 변형의 양이 커집니다. 이를 변형에 의한 마르텐사이트 변형이라고 합니다.
가역성은 일부 철, 금, 니켈 및 기타 비철 금속이 냉각 시 오스테나이트를 마르텐사이트로 변환했다가 재가열 시 확산 없이 다시 오스테나이트로 변환할 수 있는 능력을 말합니다.
그러나 마르텐사이트 변형 메커니즘에 따른 이러한 역변형은 일반적으로 탄소강에서는 발생하지 않는데, 이는 마르텐사이트가 가열 중에 페라이트와 탄화물로 분해되었기 때문입니다. 이 과정을 템퍼링이라고 합니다.
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
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