금속과 합금의 8 가지 일반적인 미세 구조

현대 재료는 금속, 폴리머, 세라믹 및 복합 재료의 네 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 고분자 재료의 급속한 발전에도 불구하고 강철은 여전히 현재 공학 기술에서 가장 널리 사용되는 가장 중요한 재료입니다. 철강재의 지배적 지위를 결정짓는 요인은 무엇인가? 이제 자세히 소개하겠습니다.

철과 강철은 철광석에서 추출되며 자원이 풍부하고 가격이 저렴합니다. 철-탄소 합금으로도 알려진 철과 강철은 철(Fe)과 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S) 및 기타 작은 원소로 구성된 합금입니다. (Cr, V 등). 강철의 다양한 원소의 함량과 열처리 공정(4소성: 담금질, 소둔, 템퍼링, 노멀라이징)을 조정하여 다양한 금속 조직을 얻을 수 있으므로 강철이 서로 다른 물성을 갖게 됩니다. 금속 조직 현미경으로 관찰되는 구조를 특정 부식제로 샘플링, 연마, 연마 및 에칭한 후 강철의 금속 조직이라고 합니다. 이러한 구조에는 철재의 비밀이 숨겨져 있습니다.

        Fe-Fe3C 시스템에서는 다른 조성의 철-탄소 합금을 제조할 수 있습니다. 평형 구조는 온도에 따라 다르지만 몇 가지 기본 상(페라이트 F, 오스테나이트 A 및 시멘타이트 Fe3C)으로 구성됩니다. 이러한 기본 단계는 기계적 혼합물의 형태로 결합되어 강철에 풍부하고 다채로운 금속 조직을 형성합니다. 8개의 일반적인 금속 구조가 있습니다.

I. 페라이트

 a-Fe 격자의 틈새에 탄소가 용해되어 형성된 틈새 고용체를 페라이트라고 하며 BCC 구조에 속하며 등축 다각형 결정립 분포를 가지며 이를 기호 F로 표시한다. 그 구조와 성질은 순철과 유사하다. 가소성과 인성이 좋지만 강도와 경도가 낮습니다(30-100HB). 합금강에서 알파-Fe의 탄소 및 합금 원소의 고용체입니다. alpha-Fe에서 탄소의 용해도는 매우 낮습니다. AC1 온도에서 탄소의 최대 용해도는 0.0218%이지만 온도가 감소함에 따라 용해도는 0.0084%로 감소합니다. 따라서 서냉 조건하에서 페라이트 입계에 세 번째 시멘타이트가 나타난다. 강철의 탄소 함량이 증가함에 따라 페라이트의 수는 감소하고 펄라이트의 수는 증가합니다. 이때 페라이트는 망상과 초승달이다.

Ⅱ.오스테나이트

 γ-Fe 격자의 격자간 공간에서 탄소가 용해되어 형성된 격자간 고용체를 오스테나이트(Austenite)라고 한다. 그것은 면심 입방 구조를 가지며 기호 A로 표시되는 고온 상입니다. Austenite는 1148 C에서 최대 용해도가 2.11% C이고 727 C에서 고용체가 0.77% C입니다. 강도와 경도는 다음과 같습니다. 페라이트보다 높으면 가소성 및 인성이 좋으며 비자성입니다. 특정 기계적 특성은 탄소 함량 및 입자 크기와 관련이 있으며 일반적으로 170-220 HBS, = 40-50%입니다. TRIP강은 오스테나이트의 우수한 가소성과 유연성을 바탕으로 개발된 강재입니다. 잔류 오스테나이트의 변형유도변태 및 변형유도 가소성은 강판의 가소성 및 강판의 성형성을 향상시키기 위해 사용된다. 탄소 또는 합금 구조용 강철의 오스테나이트는 냉각 중에 다른 상으로 변합니다. 고탄소강 및 침탄강의 침탄 및 고온 담금질 후에야 마르텐사이트 간극에 오스테나이트가 남을 수 있으며 침식되기 쉽지 않기 때문에 금속 조직 구조가 흰색입니다.

Ⅲ. 시멘타이트

 Cementite는 탄소와 철의 일정 비율에 의해 합성되는 금속 화합물입니다. 분자식 Fe3C는 탄소 함량이 6.69%이고 (Fe, M) 3C가 합금에 형성됨을 보여줍니다. Cementite는 단단하고 부서지기 쉽고 가소성과 충격 인성은 거의 0이며 취성은 매우 높으며 경도는 800HB입니다. 철강에서 분포는 일반적으로 네트워크, 반 네트워크, 플레이크, 바늘 플레이크 및 입상입니다.

 IV. 펄라이트

 펄라이트는 페라이트와 시멘타이트의 기계적 혼합물로 기호 P로 표시됩니다. 기계적 특성은 페라이트와 시멘타이트 사이에 있으며 고강도, 중간 경도 및 특정 가소성을 가지고 있습니다. 펄라이트는 강철에서 공석 변형의 산물입니다. 그 형태는 페라이트와 시멘타이트가 지문과 같은 층으로 배열되어 있습니다. 탄화물의 분포 패턴에 따라 플레이크 펄라이트와 구형 펄라이트의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.

 ㅏ. 플레이크 펄라이트: 두꺼운 플레이크, 중간 플레이크 및 미세 플레이크의 세 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.

비. 구형 펄라이트: 구상화 어닐링으로 얻은 시멘타이트가 구상화되어 페라이트 기지에 분포됩니다. 시멘타이트 회전 타원체의 크기는 구상화 어닐링 공정, 특히 냉각 속도에 따라 달라집니다. 구형 펄라이트는 조대 구형, 구형, 미세 구형 및 점상의 4가지 유형으로 나눌 수 있습니다.

V. 베이나이트

베이나이트는 중온대에서 펄라이트 변태대 이하, MS점 이상에서 오스테나이트가 변태한 산물이다. 베이나이트는 페라이트와 시멘타이트의 기계적 혼합물로서 펄라이트와 마르텐사이트 사이의 구조로 기호 B로 표시됩니다. 형성 온도에 따라 입상 베이나이트, 상부 베이나이트(상부 B), 하부 베이나이트(하부 B)로 나눌 수 있습니다. 입상 베이나이트는 강도는 낮지만 인성이 좋습니다. 낮은 베이나이트는 강도가 높고 인성이 좋습니다. 입상 베이나이트는 인성이 가장 나쁘다. 베이나이트 형태는 변경 가능합니다. 베이나이트는 모양 특성에 따라 깃털, 바늘 및 입상의 세 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.

ㅏ. 상부 베이나이트:

상부 베이나이트는 페라이트 바늘 축에 평행한 가는 스트립(또는 짧은 막대) 시멘타이트와 깃털 같은 스트립 페라이트의 평행 배열이 특징입니다.

비. 하부 베이나이트:

미세 바늘 플레이크, 특정 방향, 담금질 마르텐사이트보다 침식에 더 취약, 템퍼드 마르텐사이트와 매우 유사, 광학 현미경으로 구별하기가 매우 어렵고 전자 현미경으로 구별하기 쉽습니다. 탄화물은 침상 페라이트에서 석출되며 그 정렬 방향은 페라이트 시트의 장축과 55-60도이고 하부 베이나이트는 쌍정을 포함하지 않으며 더 많은 전위가 있습니다.

씨. 입상 베이나이트:

다각형 모양과 많은 불규칙한 섬 모양의 구조를 가진 페라이트. 강의 오스테나이트를 상부 베이나이트의 성형온도보다 약간 높게 냉각하면 석출된 페라이트의 일부 탄소 원자가 페라이트/오스테나이트 상경계를 통해 페라이트에서 오스테나이트로 이동하여 오스테나이트에 탄소가 불균일하게 풍부하게 되어 변태를 억제한다. 오스테나이트에서 페라이트로. 이러한 오스테나이트 영역은 일반적으로 페라이트 매트릭스에 분포된 섬형, 과립형 또는 스트립형입니다. 연속 냉각 중에 오스테나이트의 조성과 냉각 조건에 따라 그레인 베일의 오스테나이트는 다음과 같은 변화를 겪을 수 있습니다.

(i) 전체 또는 부분적으로 페라이트와 탄화물로 분해. 전자현미경으로 분산된 다방향 분포를 갖는 입상, 막대 또는 작은 블록 탄화물을 볼 수 있습니다.

(ii) 광학현미경하에서 완전히 황색인 마르텐사이트로의 부분적 변형.

(iii) 여전히 탄소가 풍부한 오스테나이트를 유지합니다.

입상 탄화물은 입상 베이나이트의 페라이트 매트릭스에 분포되어 있습니다(섬 구조는 원래 탄소가 풍부한 오스테나이트였으며 냉각되면 페라이트와 탄화물로 분해되거나 마르텐사이트로 변형되거나 탄소가 풍부한 오스테나이트 입자로 남아 있음). Feather bainite, ferrite matrix, strip carbide가 ferrite sheet의 가장자리에 석출됨. 하부 베이나이트, 침상 페라이트는 작은 플레이크 카바이드, 플레이크 카바이드는 페라이트의 장축이 대략 55~60도 각도입니다. 

VI. 와이셔의 조직

Widmanstatten 구조는 일종의 과열 구조로 페라이트 바늘이 서로 약 60도 교차하고 강철 매트릭스에 내장되어 있습니다. 거친 Widmanstatten 구조는 강철의 가소성과 인성을 감소시키고 취성을 증가시킵니다. 차공석강은 과열에 의해 조대한 입자가 형성되고 냉각되면 빠르게 석출된다. 따라서 오스테나이트 결정립계를 따른 망상석출 외에 전단기전에 의해 일부 페라이트가 결정립계에서 결정립계로 형성되어 침상으로 별도로 석출된다. 이 분포의 구조를 Widmanstatten 구조라고 합니다. 과열된 초공석강이 냉각되면 시멘타이트도 결정립계에서 결정립으로 확장되어 Widmanstatten 구조를 형성합니다.

Ⅶ.마르텐사이트

알파-철에 탄소의 과포화 고용체를 마르텐사이트라고 합니다. 마르텐사이트는 강도와 경도가 높지만 가소성은 거의 0에 가깝습니다. 기호 M으로 표시되는 충격 하중을 견딜 수 없습니다. 마르텐사이트는 과냉각된 오스테나이트의 급속 냉각과 MS와 Mf 점 사이의 전단 모드 변환의 산물입니다. 이때 탄소(및 합금원소)는 시간이 지남에 따라 확산되지 않고 감마-철의 격자(면중심)에서 알파-철의 격자(몸의 중심), 즉 고용체(오스테나이트)로만 확산된다. 감마-철의 탄소를 알파-철의 탄소 고용체로. 따라서 마텐자이트 변태는 마텐자이트의 금속학적 특성을 기반으로 하며, 이는 라스 마텐자이트(저탄소)와 침상 마텐자이트로 나눌 수 있습니다.

ㅏ. 라스 마르텐사이트:

저탄소 마르텐사이트라고도 합니다. 대략 같은 크기의 미세한 마르텐사이트 스트립이 평행하게 정렬되어 마르텐사이트 번들 또는 마르텐사이트 도메인을 형성합니다. 도메인과 도메인 사이의 배향 차이가 크며, 기본 오스테나이트 결정립에 서로 다른 배향을 갖는 여러 도메인이 형성될 수 있습니다. 라스 마르텐사이트 형성 온도가 높기 때문에 냉각 과정에서 불가피하게 자기 템퍼링 현상이 발생하고 형성된 마르텐사이트에 탄화물이 석출되어 침식 및 암색에 취약합니다.

 비. 침상 마르텐사이트:

플레이크 마텐자이트 또는 고탄소 마텐자이트라고도 하며 기본 특성은 다음과 같습니다. 오스테나이트 결정립으로 형성된 첫 번째 마텐자이트 시트는 비교적 크며, 종종 전체 결정립 전체에 걸쳐 오스테나이트 결정립이 분할되므로 나중에 형성되는 마텐자이트의 크기가 제한됩니다. , 따라서 플레이크 마텐자이트의 크기가 다양하고 불규칙하게 분포합니다. 침상 마르텐사이트는 일정한 방향으로 형성된다. 마르텐사이트 바늘에 중간 능선이 있습니다. 탄소 함량이 높을수록 마르텐사이트가 더 분명합니다. 동시에, 마르텐사이트 사이에는 백색 잔류 오스테나이트가 있다.

 씨. 담금질 후에 형성된 마르텐사이트는 또한 템퍼링 후에 세 가지 특수 금속 조직을 형성할 수 있습니다.

(i) 강화 마르텐사이트:

탄소가 전이 탄화물의 형태로 용해되는 템퍼링의 첫 번째 단계에서 분해되는 담금질 동안 형성되는 시트 마르텐사이트(정방정체 중심의 결정 구조)와 고체에 분산된 극미세한 전이 탄화물 시트의 복합체 용액 매트릭스(결정 구조가 체심 입방체로 변경됨)(매트릭스와의 계면이 일관된 계면임) 위상 구조. 이런 종류의 구조는 금속조직(광학)현미경으로 최대배율로 확대하여도 내부구조를 구별할 수 없고 전체구조가 검은바늘(검은바늘의 모양은 기본적으로 형성된 흰바늘의 모양과 동일함)만 알 수 있다. 담금질 중). 이러한 종류의 검은 바늘을 "템퍼드 마르텐사이트"라고 합니다.

(ii) 강화된 troostite:

담금질된 마르텐사이트의 제품은 중간 온도에서 템퍼링된 제품으로 마르텐사이트의 침 모양이 점차 사라지는 특징이 있지만 여전히 모호하게 보입니다(크롬 함유 합금강, 합금 페라이트 재결정 온도가 더 높기 때문에 여전히 침 모양을 유지함), 침강 탄화물은 작습니다. , 광학현미경으로 구별하기 어려운 탄화물 입자는 전자현미경으로만 볼 수 있습니다. 극 조직의 침식 및 흑화에 취약합니다. 템퍼링 온도가 더 높거나 더 오래 유지되면 바늘이 흰색이 됩니다. 이때 탄화물은 바늘의 가장자리에 집중되어 강철의 경도가 약간 낮아지고 강도가 감소합니다.

(iii) 강화된 소르바이트:

고온에서 템퍼링된 담금질된 마르텐사이트 제품. 그 특성은 다음과 같습니다. 미세한 입상 탄화물은 소르바이트 매트릭스에 분포되어 있으며 광학 현미경으로 명확하게 구별할 수 있습니다. 컨디셔닝된 구조라고도 하는 이러한 종류의 구조는 강도와 인성이 잘 조합되어 있습니다. 페라이트의 미세 탄화물이 미세할수록 경도와 강도가 높아지고 인성이 나빠집니다. 반대로 경도와 강도가 낮고 인성이 높습니다.

Ⅷ.레드부라이트

FERROCARBON 합금의 공융 혼합물, 즉 탄소 질량 분율(탄소 함량)이 4.3%인 액체 FERROCARBON 합금은 오스테나이트와 시멘타이트의 기계적 혼합물이 섭씨 1480도에서 액체에서 동시에 결정화할 때 납석이라고 합니다. 오스테나이트는 727℃에서 펄라이트로 변하기 때문에 렛드뷰라이트는 상온에서 펄라이트와 시멘타이트로 구성된다. 727 C 이상의 ledeburite를 구별하기 위해 고온 ledeburite (L d) 라고 하고 727 C 미만의 ledeburite 를 저온 ledeburite (L'd) 라고 합니다 . ledeburite의 특성은 경도가 높고 가소성이 낮은 Cementite의 특성과 유사합니다.