오스테나이트 (Austenite) - 펄라이트 (Pearlite) 변태 (transformation)

오스테나이트 (Austenite) - 펄라이트 (Pearlite) 변태 (transformation)

오스테나이트에서 펄라이트로의 변태는 철-탄소 합금에서 발생하는 고체 확산 제어 상변태의 일종으로, 기본적으로 탄소의 확산에 의해 발생한다고 볼 수 있습니다. 오스테나이트는 공석 (eutectoid) 온도 이상에 존재하는 철의 고온 FCC (면심입방정계) 결정 구조입니다. 온도가 공석 온도 이하로 떨어지면 오스테나이트는 페라이트 (Ferrite) 와 시멘타이트 (cementite, Fe3C) 의 혼합물로 변태되며, 이를 펄라이트라고 합니다.

변태 (transformation)은 핵 생성 (nucleation), 성장 (growth) 및 변태의 세 단계로 발생합니다. 핵생성 단계에서 페라이트와 시멘타이트의 작은 영역이 오스테나이트 내에 형성됩니다. 새로 형성된 영역이 펄라이트 성장을 위한 핵 생성 사이트 역할을 하기 때문에 이 과정을 핵 생성이라고 합니다. 성장 단계에서 페라이트 및 시멘타이트 영역은 각각의 핵 생성 사이트에서 바깥쪽으로 성장합니다. 이 성장은 탄소 원자가 오스테나이트에서 페라이트 및 시멘타이트 영역으로 확산되어 이들이 결합하여 시멘타이트를 형성함으로써 발생합니다. 페라이트 영역은 페라이트의 탄소 함량이 낮기 때문에 시멘타이트 영역보다 빠르게 성장합니다. 변태 단계에서 펄라이트 영역의 성장은 오스테나이트가 펄라이트로 완전히 변태될 때까지 계속됩니다. 변태율은 온도에 따라 달라지며 특정 온도에서 특정 비율의 오스테나이트가 펄라이트로 변태하는 데 필요한 시간을 보여주는 항온변태곡선 (Time - Temperature - Transformation, T-T-T curve) 으로 특징지을 수 있습니다. 생성된 펄라이트의 미세 구조는 페라이트와 시멘타이트의 교대 층으로 구성되어 현미경으로 독특한 패턴을 생성합니다. 펄라이트의 기계적 특성은 미세 구조에 따라 달라지며 변태 중 냉각 속도와 합금 조성을 조정하여 제어할 수 있습니다.

Isothermal transformation diagram for a eutectoid iron-carbon alloy [1]

 

 

오스테나이트란?

오스테나이트는 고온에서 안정한 철 및 그 합금의 면심 입방정(FCC) 상입니다. 철-탄소 합금을 연구한 야금학자 William Chandler Roberts-Austen 경의 이름을 따서 명명되었습니다. 오스테나이트는 탄소 함량이 0.8%인 철-탄소 합금의 경우 약 723°C인 강의 상위 임계 온도 위에 존재하는 상입니다. 상한 임계 온도 이상의 온도에서 강철은 오스테나이트 상으로 존재합니다.

오스테나이트는 탄소 및 기타 합금 원소에 대한 용해도가 높아 고합금강 생산에 유용합니다. 그것의 결정 구조는 그 안에 있는 탄소와 다른 원자의 쉬운 확산을 허용하여 냉각 속도, 합금 구성 및 기타 요인에 따라 냉각 시 다양한 미세 구조를 형성할 수 있습니다. 예를 들어, 오스테나이트가 급속히 냉각되면 마르텐사이트 (Martensite)라고 하는 단단하고 부서지기 쉬운 상으로 변태할 수 있는 반면, 냉각 속도가 느려지면 페라이트 및 펄라이트와 같이 더 부드럽고 연성인 상이 형성될 수 있습니다.

 

펄라이트 (Pearlite)란?

펄라이트는 페라이트 (Ferrite)와 세멘타이트 (cementite)의 교대 층으로 구성된 탄소강에서 발견되는 일반적인 금속 조직입니다. 페라이트는 체심입방정계 (BCC) 결정 구조를 갖는 철의 일종이며, 세멘타이트는 철과 탄소의 화합물로 사방정계 결정 구조를 가집니다. 펄라이트의 형성은 면심 입방정(FCC) 결정 구조를 갖는 오스테나이트가 공석 온도 이하로 천천히 냉각될 때 발생합니다. 온도가 낮아지면 오스테나이트는 페라이트와 세멘타이트의 혼합물로 변태합니다. 변태 과정은 과포화 오스테나이트에서 페라이트 및 시멘타이트 상으로 탄소 원자의 확산 과정에 의해 이루어 집니다. 공석 조성의 철-탄소 합금에서 오스테나이트에서 펄라이트로 변태하는 속도는 온도에 따라 달라집니다. 항온변태곡선 (Time - Temperature - Transformation, T-T-T curve) 은 변태가 일어나는 시간 및 온도 종속성을 모두 나타냅니다. 

Schematic TTT diagram illustrating the flat tops on the bainite C-curves [2]

금속 조직의 형태는 페라이트와 세멘타이트의 교대 밴드를 이루지만, 냉각 속도, 탄소강의 구성 및 불순물의 존재와 같은 여러가지 요인에 따라 달라질 수 있습니다. 건설, 자동차 및 기계 응용 분야에 사용되는 것과 같은 중저 탄소강에서 일반적으로 발견됩니다.

 

Pearlite microstructure in eutectoid steel [2]

참고

[1] William D. Callister Jr., David G. Rethwisch, Materials Science and Engineering

[2] H.K.D.H. BHADESHIA, Bainite in steels