조직 식별 아틀라스

보이는 것

• 거의 같은 크기의 각진 밝은 결정립(등축정)이 빽빽하게 깔려 있고, 결정립의 경계(입계)가 가늘고 검은 선으로 보인다.
• 탄소가 조금 있으면 결정립의 모서리 등에 작고 검은 펄라이트가 점점이 흩어져 있다(탄소 약 0.05%의 열간 압연재의 예).

밝게·어둡게 보이는 이유

• 입계는 원자 배열이 흐트러져 있어 결정립 내부보다 빨리 부식되고, 홈이 되어 빛이 되돌아오지 않으므로 검은 선으로 보인다.
• 부식을 길게 하면 결정 방위에 따라 녹는 정도가 다르므로, 같은 방위의 결정립은 같은 밝기가 되어 결정립마다 밝기가 조금씩 다르게 보인다.

부식액과 보이는 모습

• 나이탈(질산의 알코올 용액)로 페라이트의 입계가 드러난다. 피크랄(피크르산의 알코올 용액)로는 페라이트의 입계가 드러나지 않으므로, 결정립의 크기를 보려면 나이탈을 쓴다.

생성 조건(합금과 열처리)

• 탄소가 매우 적은 철(순철이나 극저탄소강)을 오스테나이트 영역에서 냉각하거나 풀림한다. Fe–C 상태도에서는 727℃에서 탄소를 최대 0.022%밖에 고용하지 못하는 α(체심 입방)의 영역이다.
• 냉간 가공한 뒤 재결정시키면 변형이 없는 등축 결정립으로 돌아간다.

성질

• 결정립이 미세할수록 단단하고 강하다(홀-페치 관계). 결정립의 크기는 결정립도 번호로 나타낸다(이 페이지의 ‘결정립도’). [5]

혼동하기 쉬운 조직과 구별 방법

• 오스테나이트(풀림 쌍정): 풀림 쌍정(결정립 안을 가로지르는 곧고 평행한 두 선 사이의 띠)은 면심 입방 금속(오스테나이트계 스테인리스강·구리 합금 등)의 특징이다. 페라이트(체심 입방)의 결정립에서는 보이지 않는 것이 보통이다.
• 페라이트+펄라이트(아공석강): 검은 펄라이트가 면적의 수십 % 이상을 차지하면 아공석강. 점점이 약간뿐이면 탄소가 적은 강의 페라이트 조직.
• 혼립(결정립 크기의 불균일): 혼립은 결정립의 크기가 장소에 따라 크게 다르다. 페라이트 조직의 결정립은 대체로 고르다.

식별 단서

• 밝은 등축 다각형 결정립으로만 이루어져 있다
• 결정립 안에 곧은 평행선의 띠(쌍정)가 없다
• 검은 부분(펄라이트)은 거의 없다

관련 용어: 홀-페치 관계 재결정

계산 도구로 확인하기: 철–탄소 상태도 뷰어

확인 문제:

1. 어떤 강의 항복 응력이 홀-페치 관계 σy = σ₀ + k/√d를 따르며, σ₀ = 70 MPa, k = 0.74 MPa·√m이다. 평균 결정립 크기 d = 25 µm일 때의 항복 응력에 가장 가까운 것은 무엇인가?
2. 냉간 가공한 금속을 가열했을 때의 재결정에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?

보이는 것

• 흰(밝은) 초석 페라이트의 결정립과 거무스름한 펄라이트의 섬이 섞여 있다. 펄라이트는 배율을 높이면 층이 보인다.
• 탄소가 많을수록 펄라이트가 늘어난다. 그림 아래의 슬라이더로 탄소량을 바꾸면 지렛대 법칙으로 구한 비율로 다시 그린다.

밝게·어둡게 보이는 이유

• 펄라이트는 페라이트와 세멘타이트의 미세한 층으로, 부식으로 층의 단차가 생기고 그 그림자 때문에 전체가 어둡게 보인다. 초석 페라이트는 평평하게 녹으므로 밝다.

부식액과 보이는 모습

• 나이탈로 페라이트의 입계와 펄라이트가 모두 보인다(보통 이것을 쓴다). 피크랄은 펄라이트의 층을 잘 드러내지만 페라이트의 입계는 드러내지 않는다.

생성 조건(합금과 열처리)

• 탄소 0.022~0.76%의 강을 오스테나이트 영역에서 노 안에서 천천히 냉각하거나(풀림) 공기 중에서 냉각한다(불림).
• 냉각되면 먼저 원래의 오스테나이트 입계에 페라이트가 생기고, 남은 오스테나이트의 탄소가 늘어 0.76%가 되면 727℃에서 펄라이트로 변한다.
• 727℃ 바로 아래의 펄라이트 질량 분율은 지렛대 법칙으로 (C − 0.022)/(0.76 − 0.022). 예: 0.40%C이면 약 0.51. 모식도에서는 이 질량 분율을 면적 비율로 그렸다.

성질

• 불림(공랭)은 풀림(노랭)보다 빨리 냉각되므로 페라이트가 적고 펄라이트가 미세해진다(0.35%C 강의 예). [1][2]

혼동하기 쉬운 조직과 구별 방법

• 비드만스테텐 페라이트: 비드만스테텐 페라이트는 입계에서 결정립 안쪽으로 평행한 쐐기형의 흰 판이 뻗는다. 풀림한 아공석강의 흰 페라이트는 대체로 등축 결정립이 된다.
• 펄라이트(공석강): 흰 페라이트 결정립이 뭉쳐 보이면 아공석강. 거의 전면이 층상이면 공석강의 펄라이트.
• 구상 흑연 주철(덕타일 주철): 구상 흑연 주철도 흰 페라이트와 검은 펄라이트를 갖지만, 검은 구(흑연)가 있다. 강에는 흑연이 없다.

식별 단서

• 흰 등축 결정립과 검은 섬이 섞여 있다
• 검은 섬은 배율을 높이면 층상
• 흑연의 구나 편은 없다

관련 용어: 지렛대 법칙 공석 반응 펄라이트

계산 도구로 확인하기: 철–탄소 상태도 뷰어

확인 문제:

1. 0.40 wt%C 아공석강을 727℃ 바로 아래까지 평형 냉각했다. 초석 페라이트의 질량 분율에 가장 가까운 것은 무엇인가? 공석 조성을 0.76 wt%C, 727℃에서 페라이트의 탄소 농도를 0.022 wt%C, 세멘타이트를 6.70 wt%C로 한다.
2. Fe-Fe₃C계 상태도의 공석점에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?

보이는 것

• 페라이트와 세멘타이트가 번갈아 겹친 층. 층의 방향이 고른 구획(콜로니)마다 방향이 바뀌어 지문 같은 줄무늬가 늘어선다.
• 같은 시료라도 층을 비스듬히 자른 콜로니는 간격이 넓게 보이고, 수직에 가깝게 자른 것은 좁게 보인다. 층이 너무 미세하여 분해되지 않는 콜로니는 검고 균일하게 보인다.

밝게·어둡게 보이는 이유

• 부식으로 페라이트가 먼저 녹고 세멘타이트가 약간 도드라진다. 광학 현미경에서는 둘 다 희지만, 세멘타이트의 층은 얇으므로 단차의 그림자가 검은 선이 되어 전체가 어둡게 보인다.

부식액과 보이는 모습

• 피크랄은 페라이트의 입계를 거의 드러내지 않고 세멘타이트(펄라이트의 층)를 뚜렷하게 드러내므로 펄라이트의 층을 보기에 알맞다. 나이탈로도 펄라이트는 검게 보인다.

생성 조건(합금과 열처리)

• 약 0.76%C의 공석강을 오스테나이트 영역에서 727℃ 아래로 천천히 냉각한다(γ → α + Fe₃C).
• 냉각이 느릴수록(과랭이 작을수록) 층간 간격이 넓은 조대한 펄라이트가, 빠를수록 미세한 펄라이트가 된다. 공랭(불림)한 미세 펄라이트는 광학 현미경으로 층이 잘 분해되지 않는다.

성질

• 층간 간격이 미세할수록 단단하고 강하다. 경도는 미세 펄라이트 > 조대 펄라이트 > 구상화 조직의 순. [7][8]
• 광학 현미경으로 분해되는 것은 약 500 nm까지로, 층간 간격이 약 50 nm인 매우 미세한 펄라이트는 전자 현미경이 아니면 층이 보이지 않는다. [9]

혼동하기 쉬운 조직과 구별 방법

• 공정 조직(Pb–Sn 등): 공정 조직(Pb–Sn 등)도 층상이지만 두 상의 층 두께가 비슷하다. 펄라이트의 세멘타이트 층은 페라이트 층보다 훨씬 얇다(지렛대 법칙으로 세멘타이트는 (0.76 − 0.022)/(6.70 − 0.022) ≈ 0.11).
• 상부 베이나이트: 상부 베이나이트는 입계에서 뻗는 깃털 모양의 다발이며, 탄화물은 끊어진 입자의 열이다. 펄라이트처럼 길게 이어지는 층의 줄무늬가 되지 않는다.
• 페라이트+펄라이트(아공석강): 흰 초석 페라이트의 결정립이 뭉쳐 있으면 아공석강.

식별 단서

• 전면이 층상의 줄무늬
• 구획(콜로니)마다 줄무늬의 방향이 바뀐다
• 흰 결정립의 무리나 흰 그물은 없다

관련 용어: 펄라이트 공석 반응

계산 도구로 확인하기: 철–탄소 상태도 뷰어

확인 문제:

1. Fe-Fe₃C계 상태도의 공석점에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?

보이는 것

• 층상 펄라이트의 결정립(원래의 오스테나이트 결정립) 둘레를 희고 가는 그물(초석 세멘타이트)이 둘러싼다.
• 탄소가 많을수록 그물이 굵어진다. 그림 아래의 슬라이더로 탄소량을 바꾸면 지렛대 법칙으로 구한 비율의 굵기로 다시 그린다.

밝게·어둡게 보이는 이유

• 초석 세멘타이트는 나이탈이나 피크랄로는 거의 녹지 않고 희게 남으며, 그물 가장자리의 단차가 가늘고 검은 선으로 보인다.

부식액과 보이는 모습

• 나이탈·피크랄로는 초석 세멘타이트가 희어서 흰 페라이트와 구별하기 어렵다. 알칼리성 적혈염(페리시안화칼륨) 용액으로 가열 부식하면 세멘타이트는 검게, 펄라이트는 갈색으로 보이므로 구별할 수 있다.

생성 조건(합금과 열처리)

• 0.76%C보다 탄소가 많은 강(과공석강)을 오스테나이트 영역에서 서랭한다. Acm선을 지나면 오스테나이트의 입계에 초석 세멘타이트가 그물 모양으로 나타나고, 남은 오스테나이트가 727℃에서 펄라이트가 된다.
• 727℃ 바로 아래의 초석 세멘타이트 질량 분율은 지렛대 법칙으로 (C − 0.76)/(6.70 − 0.76). 예: 1.2%C에서 약 0.074. 모식도에서는 이 비율을 그물의 면적으로 그렸다.

성질

• 1.3%C의 강을 970℃에서 노랭한 예에서, 초석 세멘타이트가 입계에 나타나고 펄라이트의 층이 잘 보인다. [1]

혼동하기 쉬운 조직과 구별 방법

• 페라이트+펄라이트(아공석강): 아공석강의 흰 페라이트는 면적이 넓은 결정립이 된다. 과공석강의 흰 초석 세멘타이트는 입계를 따르는 가는 그물. 헷갈리면 알칼리성 적혈염 용액으로 세멘타이트를 검게 한다.
• 석출물(입계에 늘어선 석출과 결정립 안의 입자): 예민화한 스테인리스강의 입계는 검은 홈이며, 결정립 안에 층이 없다. 과공석강의 그물은 희고, 안쪽은 펄라이트의 층.
• 펄라이트(공석강): 입계의 흰 그물이 없으면 공석강의 펄라이트.

식별 단서

• 펄라이트 결정립을 희고 가는 그물이 둘러싼다
• 그물은 입계를 따른다
• 안쪽은 펄라이트의 층

관련 용어: 펄라이트 지렛대 법칙

계산 도구로 확인하기: 철–탄소 상태도 뷰어

확인 문제:

1. 1.2 wt%C 과공석강을 오스테나이트 영역에서 서랭했을 때, 실온에서 얻어지는 조직은 무엇인가?

보이는 것

• 원래 오스테나이트 결정립의 입계에 흰 페라이트의 띠가 있고, 거기에서 방향이 고른 흰 쐐기형 판이 여러 개 결정립 안쪽으로 뻗는다. 판 사이는 검은 펄라이트.

밝게·어둡게 보이는 이유

• 비드만스테텐 페라이트는 내부에 미세한 조직이 없어 부식되어도 깨끗하게 희게 남는다. 미세한 판과 탄화물의 집합인 베이나이트는 어둡게 부식된다.

부식액과 보이는 모습

• 나이탈로 흰 판과 검은 펄라이트의 대비가 뚜렷하게 드러난다.

생성 조건(합금과 열처리)

• 주조한 그대로의 탄소강(0.40~0.50%C의 예)처럼 냉각이 평형에서 멀 때, 입계에서 쐐기형 페라이트가 자란다. 입계의 층상 페라이트에서 2차적으로 자라는 것도 있다.
• 풀림·불림·열간 압연으로 없앨 수 있다.

성질

• 침상 페라이트는 인성을 떨어뜨리므로, 이 조직 그대로의 강은 중요한 부품에 쓰지 않는 것이 좋다고 한다(주조한 그대로의 강의 예). [3]

혼동하기 쉬운 조직과 구별 방법

• 상부 베이나이트: 둘 다 입계에서 평행하게 뻗지만, 비드만스테텐 페라이트는 희고 깨끗한 쐐기이며 사이는 검은 펄라이트. 상부 베이나이트는 다발 전체가 어둡고, 미세한 판 사이에 탄화물의 열이 있다.
• 페라이트+펄라이트(아공석강): 풀림한 아공석강의 페라이트는 등축 결정립으로, 평행한 쐐기의 열이 없다(불림으로 페라이트가 침상이 되는 경우는 있다).

식별 단서

• 흰 쐐기가 평행하게 늘어서 결정립 안쪽으로 뻗는다
• 입계에 흰 띠
• 사이는 검은 펄라이트

계산 도구로 확인하기: 철–탄소 상태도 뷰어

보이는 것

• 등축 페라이트의 바탕에 둥근 세멘타이트 입자가 균일하게 흩어져 있다. 페라이트의 입계 위에도 입자가 많다.
• 층의 줄무늬도 침상도 없다.

밝게·어둡게 보이는 이유

• 세멘타이트 입자는 부식되지 않고 약간 도드라지므로 주위의 단차가 그림자가 되어, 검게 테두리 진 점으로 보인다.

부식액과 보이는 모습

• 피크랄은 구상화 조직이나 템퍼링 탄화물의 분포를 보는 표준 부식액. 페라이트의 입계도 보고 싶을 때는 나이탈과 조합한다.

생성 조건(합금과 열처리)

• 펄라이트나 베이나이트, 담금질한 강을 A1(727℃) 바로 아래에서 장시간 유지한다(구상화 풀림). 예: 0.40~0.50%C의 강을 830~850℃에서 물 담금질하고, 710℃에서 72시간 유지한 뒤 천천히 냉각한다.
• 담금질한 강을 600℃에서 오랫동안(수일) 템퍼링해도 세멘타이트 입자가 커지고, 침상 페라이트가 등축으로 바뀌어 간다.

성질

• 경도는 미세 펄라이트 > 조대 펄라이트 > 구상화 조직의 순으로, 구상화 조직이 가장 무르다. [4]
• 탄소 약 0.85%의 공구강의 열처리 전 조직(페라이트 바탕에 수 µm의 탄화물)은 HV165 정도. [5]

혼동하기 쉬운 조직과 구별 방법

• 템퍼링 마르텐사이트: 템퍼링 마르텐사이트에도 탄화물 입자가 있지만 원래의 래스나 침상의 형태와 어두운 바탕이 남는다. 구상화 조직은 바탕의 페라이트가 등축이고 밝으며, 입자가 둥글고 크다.
• 구상 흑연 주철(덕타일 주철): 구상 흑연 주철의 검은 구는 낮은 배율에서도 보일 만큼 크고, 흰 페라이트의 고리로 둘러싸인다. 구상화 조직의 입자는 높은 배율에서 겨우 보인다.
• 석출물(입계에 늘어선 석출과 결정립 안의 입자): 입계의 석출물은 입계를 따라 연속해서 늘어선다. 구상화 조직의 입자는 결정립 안에도 균일하게 흩어져 있다.

식별 단서

• 둥근 입자가 흩어져 있다
• 층의 줄무늬도 침상도 없다
• 바탕의 페라이트는 등축이고 밝다

관련 용어: 오스트발트 숙성

계산 도구로 확인하기: 철–탄소 상태도 뷰어

확인 문제:

1. 모상 속에 크기가 다른 석출물 입자가 분산된 합금을 고온에서 장시간 유지할 때 일어나는 오스트발트 숙성(오스트발트 성장)에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?

보이는 것

• 원래 오스테나이트의 입계에서 평행하고 가는 페라이트 판(래스)의 다발(시브)이 깃털처럼 자란다.
• 판과 판 사이에 세멘타이트 입자가 끊어진 열을 이루며 늘어선다. 광학 현미경에서는 판 하나하나가 분해되지 않고 다발의 집합으로 보인다.
• 모식도는 도중까지 변태시킨 뒤 담금질한 시료의 모습이다(자라기 시작한 다발이 어둡고, 나머지는 밝은 마르텐사이트 바탕).

밝게·어둡게 보이는 이유

• 세멘타이트 입자 주위가 부식되므로 베이나이트는 전체가 어둡게 보인다.

부식액과 보이는 모습

• 나이탈로 어둡게 부식된다. 판 하나하나와 탄화물을 보려면 전자 현미경이 필요하다.

생성 조건(합금과 열처리)

• 오스테나이트를 펄라이트가 생기는 온도 바로 아래(대개 500℃ 아래)까지 급히 냉각하고 그 온도에서 유지한다(항온 변태).
• 담금질의 냉각이 임계 냉각 속도보다 조금 느리면 입계에만 깃털 모양의 상부 베이나이트가 나타나기도 한다(0.35%C의 물 담금질의 예).

성질

• 4340강을 항온 변태시켜 거의 상부 베이나이트로 만든 예에서 32 HRC. [1]
• 탄화물이 판 사이에 있고 조대하므로 하부 베이나이트보다 인성이 낮다. [4]

혼동하기 쉬운 조직과 구별 방법

• 하부 베이나이트: 하부 베이나이트는 방향이 고르지 않은 어두운 침상. 상부 베이나이트는 입계에서 평행한 다발이 자란다. 탄화물의 위치(상부는 판 사이, 하부는 판 안에 약 60°의 방향으로 늘어선다)는 전자 현미경으로 본다.
• 펄라이트(공석강): 펄라이트는 길게 이어지는 층의 줄무늬. 상부 베이나이트의 탄화물은 끊어진 입자의 열이며, 다발은 깃털 모양.
• 비드만스테텐 페라이트: 비드만스테텐 페라이트는 희고 깨끗한 쐐기이며, 사이가 검은 펄라이트. 상부 베이나이트는 다발 전체가 어둡다.

식별 단서

• 입계에서 평행한 다발이 깃털 모양으로 자란다
• 다발 안에 끊어진 검은 점의 열
• 전체가 어둡게 부식된다

관련 용어: 경화능

확인 문제:

1. TTT 선도(항온 변태 선도)와 CCT 선도(연속 냉각 변태 선도)의 차이로 옳은 것은 무엇인가?
2. 강에 Mn, Cr, Mo 등의 합금 원소를 첨가하면 경화능이 향상된다. 그 이유로 옳은 것은 무엇인가?

보이는 것

• 가늘고 어두운 침상(실제로는 판)이 서로 평행하지 않고 여러 방향으로 흩어져 있다(침상 조직).
• 도중까지 변태시킨 뒤 담금질한 시료에서는 밝은 마르텐사이트 바탕 속에 어두운 침상으로 보인다(모식도는 이 모습).

밝게·어둡게 보이는 이유

• 판 안의 미세한 탄화물 주위가 부식되므로 어둡게 부식된다.

부식액과 보이는 모습

• 나이탈로 어두운 침상으로 보인다. 판 안의 탄화물(판의 축에 약 60°의 방향으로 평행하게 늘어선다)은 전자 현미경으로 본다.

생성 조건(합금과 열처리)

• 오스테나이트를 상부 베이나이트보다 낮은 온도(보통 200~350℃)까지 급랭하여 그 온도에서 유지한다.

성질

• 4340강을 280℃와 330℃에서 항온 변태시켜 거의 하부 베이나이트로 만든 예에서 각각 50 HRC와 44 HRC. [1]
• 판 사이의 탄화물이 적고 미세하므로 상부 베이나이트보다 인성이 높다. [2]

혼동하기 쉬운 조직과 구별 방법

• 템퍼링 마르텐사이트: 광학 현미경으로는 매우 비슷하다. 템퍼링 마르텐사이트의 탄화물은 여러 방향(비드만스테텐상)으로 나타나고, 하부 베이나이트의 탄화물은 한 방향으로 고른 경우가 많다(전자 현미경으로 본다). 열처리 이력도 단서가 된다.
• 렌즈 마르텐사이트(판상·고탄소강의 담금질 조직): 담금질한 그대로의 렌즈 마르텐사이트 판은 굵고, 중앙에 줄(미드리브)이 있으며, 주위에 흰 잔류 오스테나이트가 있다. 하부 베이나이트의 침상은 가늘고 어둡다.
• 상부 베이나이트: 상부 베이나이트는 입계에서 평행한 다발이 자란다. 하부 베이나이트의 침상은 방향이 제각각.

식별 단서

• 가늘고 어두운 침상이 제각각의 방향으로 흩어져 있다
• 침상 중앙에 줄(미드리브)은 없다
• 입계에서 평행한 다발이 되지 않는다

확인 문제:

1. TTT 선도(항온 변태 선도)와 CCT 선도(연속 냉각 변태 선도)의 차이로 옳은 것은 무엇인가?

보이는 것

• 원래 오스테나이트 결정립의 경계(구 오스테나이트 입계)가 남아 있고, 그 안이 방향이 고른 가는 줄의 구획으로 나뉜다. 구획 안에는 밝기가 다른 띠(블록)가 늘어선다.
• 래스 하나하나는 너무 가늘어서 광학 현미경으로는 분해되지 않는다.

밝게·어둡게 보이는 이유

• 담금질한 그대로의 마르텐사이트는 나이탈에서 대비가 약하며, 구획마다의 방위 차이가 밝기의 약간의 차이로 보이는 정도이다.

부식액과 보이는 모습

• 나이탈로 부식한다(대비는 약한 편). 피크랄도 마르텐사이트를 부식한다.

생성 조건(합금과 열처리)

• 탄소가 약 0.6%보다 적은 강을 오스테나이트 영역에서 임계 냉각 속도보다 빠르게 급랭한다(물 담금질·기름 담금질). 탄소가 약 0.6~1%이면 래스와 판이 섞인다.

성질

• 담금질한 그대로의 경도는 거의 탄소량만으로 정해지며, 합금 원소는 경도가 아니라 담금질이 들어가는 깊이를 바꾼다. [2]
• 마르텐사이트의 최고 경도는 탄소 0.8~1.0%에서 HRC 66. [1]

혼동하기 쉬운 조직과 구별 방법

• 템퍼링 마르텐사이트: 형태는 매우 비슷하지만, 템퍼링하면 바탕이 짙게(어둡게) 보이게 된다. 담금질한 그대로는 밝은 편이고 대비가 약하다.
• 상부 베이나이트: 상부 베이나이트는 입계에서 깃털 모양의 다발이 자라고, 검은 탄화물 점의 열이 있다. 래스 마르텐사이트의 줄은 미세하고 균일하며, 결정립 전체를 구획이 채운다.
• 렌즈 마르텐사이트(판상·고탄소강의 담금질 조직): 렌즈 마르텐사이트는 판 한 장 한 장이 보이고, 중앙의 줄과 흰 잔류 오스테나이트가 있다.

식별 단서

• 구 오스테나이트 입계가 남아 있다
• 결정립 안이 가늘고 평행한 줄의 구획으로 나뉜다
• 전체가 밝은 편이고 대비가 약하다

관련 용어: 마르텐사이트 경화능

계산 도구로 확인하기: 철–탄소 상태도 뷰어

확인 문제:

1. 강의 마르텐사이트 변태에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
2. 강에 Mn, Cr, Mo 등의 합금 원소를 첨가하면 경화능이 향상된다. 그 이유로 옳은 것은 무엇인가?

보이는 것

• 렌즈 모양의 판이 여러 방향으로 늘어서 있고, 판의 중앙에 가는 줄(미드리브)이 있다. 먼저 생긴 큰 판이 결정립을 가로지르고, 나중의 판은 그 사이를 채우므로 작다.
• 판 사이에 흰 잔류 오스테나이트가 남는다. 판끼리 부딪친 곳에 미세 균열이 생기기도 한다.

밝게·어둡게 보이는 이유

• 잔류 오스테나이트는 잘 부식되지 않고 희게 남으며, 마르텐사이트의 판은 그보다 어둡게 보인다.

부식액과 보이는 모습

• 나이탈로 부식한다. 담금질 온도가 너무 높았던 공구강에서는 잔류 오스테나이트로 생각되는 흰 조직이 많이 보인다.

생성 조건(합금과 열처리)

• 탄소가 약 0.6%를 넘으면 판(렌즈)이 섞이기 시작하고, 약 1%를 넘으면 거의 판이 된다. 고탄소강(공구강 등)을 높은 온도에서 담금질한다.
• 탄소가 약 0.4%를 넘으면 실온까지 냉각해도 잔류 오스테나이트가 남기 시작한다.

성질

• 마르텐사이트의 최고 경도는 탄소 0.8~1.0%에서 HRC 66. 그보다 탄소가 많으면 잔류 오스테나이트가 늘어나므로 경도는 오르지 않는다. [1]
• 판끼리 부딪쳐 생기는 미세 균열이 있으므로, 판상 마르텐사이트는 대부분의 용도에서 피한다. [1]

혼동하기 쉬운 조직과 구별 방법

• 하부 베이나이트: 하부 베이나이트의 침상은 가늘고 어두우며, 중앙의 줄도 흰 잔류 오스테나이트도 없다.
• 래스 마르텐사이트(저탄소강의 담금질 조직): 래스 마르텐사이트는 하나하나가 보이지 않는 가는 줄의 구획. 렌즈 마르텐사이트는 판 한 장 한 장이 보인다.
• 오스테나이트(풀림 쌍정): 오스테나이트의 풀림 쌍정은 곧은 평행선의 띠이며, 렌즈 모양이 아니다.

식별 단서

• 중앙에 줄(미드리브)이 있는 렌즈 모양의 판
• 판 사이에 흰 잔류 오스테나이트
• 큰 판과 작은 판이 섞여 있다

관련 용어: 마르텐사이트

계산 도구로 확인하기: 철–탄소 상태도 뷰어

확인 문제:

1. 강의 마르텐사이트 변태에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?

보이는 것

• 래스나 판의 원래 형태와 구 오스테나이트 입계가 남지만, 담금질한 그대로보다 바탕이 짙게(어둡게) 보인다.
• 높은 온도에서 오래 템퍼링할수록 탄화물 입자가 커지고, 침상의 형태는 점차 사라져 등축 페라이트에 가까워진다(600℃에서 2시간과 4일의 비교).

밝게·어둡게 보이는 이유

• 템퍼링하면 마르텐사이트가 분해되어(과포화 탄소가 미세한 탄화물로 석출) 바탕이 짙게 보이게 된다.

부식액과 보이는 모습

• 피크랄은 담금질·템퍼링한 강의 탄화물 분포를 보는 데 쓴다. 나이탈로도 부식할 수 있다.

생성 조건(합금과 열처리)

• 담금질한 강을 A1(727℃)보다 낮은 온도로 재가열한다(템퍼링). 온도가 높고 시간이 길수록 물러진다.

성질

• 4340강을 기름 담금질하고 200℃에서 템퍼링한 예에서 52 HRC. [1]
• 탄소 약 0.85%의 공구강(SK85)을 780℃에서 담금질한 예에서, 200℃까지의 템퍼링이면 700 HV 이상, 400℃에서는 400 HV 정도. [4]

혼동하기 쉬운 조직과 구별 방법

• 래스 마르텐사이트(저탄소강의 담금질 조직): 담금질한 그대로의 마르텐사이트는 대비가 약하고 밝은 편. 템퍼링하면 바탕이 짙어진다.
• 하부 베이나이트: 광학 현미경으로는 매우 비슷하다. 탄화물의 방향(템퍼링 마르텐사이트는 여러 종류, 하부 베이나이트는 한 종류가 많음)을 전자 현미경으로 보거나, 열처리 이력으로 구별한다.
• 구상화 조직(구상 세멘타이트): 매우 높은 온도에서 오래 템퍼링하면 구상화 조직에 가까워지지만, 보통의 템퍼링에서는 원래의 침상·래스의 형태가 남는다.

식별 단서

• 마르텐사이트 줄의 형태가 남아 있다
• 전체가 어둡게(짙게) 보인다
• 구 오스테나이트 입계가 보인다

관련 용어: 템퍼링(뜨임) 마르텐사이트

확인 문제:

1. 담금질한 강에 템퍼링(뜨임)을 하는 주된 목적은 무엇인가?

보이는 것

• 검고 가늘고 긴 편상 흑연이 휘거나 가지를 치면서 흩어져 있다. 크기가 고른 편이 제각각의 방향으로 분포하는 것이 A형 흑연.
• 바탕(기지)은 펄라이트, 페라이트 또는 그 혼합.

밝게·어둡게 보이는 이유

• 흑연은 부식하지 않아도 보인다. 나이탈로 부식하면 바탕의 펄라이트가 드러난다.

부식액과 보이는 모습

• 먼저 부식하지 않은 상태에서 흑연의 형태와 분포를 보고 나서, 나이탈(2%, 10~30초)로 바탕의 조직을 드러낸다.

생성 조건(합금과 열처리)

• 탄소가 많은(Fe–C 상태도에서 2.14%를 넘는) 철에 규소를 비교적 많이 넣어(예: 2.5~2.7%) 주조하고, 공정 반응의 온도 영역을 느리게~중간 정도의 속도로 냉각하면, 응고할 때 탄소가 편상 흑연으로 정출된다. 규소가 적거나 냉각이 빠르면 흑연이 되기 어렵다.
• 미세한 편이나 점이 원래 오스테나이트의 가지(덴드라이트) 사이에 늘어선 D형 흑연은 기계적 성질을 떨어뜨리므로 바람직하지 않다.

성질

• 자동차용 회주철 규격의 예에서, 펄라이트 바탕의 G3000은 HB 187~241, 페라이트·펄라이트 바탕의 G1800은 HB 187 이하. [4]
• 회주철은 절삭이 쉽고, 녹는 온도가 낮으며, 내마모성과 주형 형상의 전사성이 좋은 등 기술적으로 유용한 성질을 갖는다. [1]

혼동하기 쉬운 조직과 구별 방법

• 구상 흑연 주철(덕타일 주철): 흑연이 둥근 구이면 구상 흑연 주철. 휘어진 검은 편이면 회주철.
• 덴드라이트(수지상정): 덴드라이트는 줄기에서 직각으로 가지가 늘어선 규칙적인 형태. 편상 흑연은 검고 가는 편이며, 제각각 휘어 있다.

식별 단서

• 휘어진 검은 편이 흩어져 있다
• 편의 양 끝은 뾰족하다
• 부식하지 않아도 흑연이 보인다

관련 용어: 공정 반응

계산 도구로 확인하기: 철–탄소 상태도 뷰어

보이는 것

• 검고 둥근 구상 흑연이 흩어져 있다.
• 흑연 둘레를 흰 페라이트가 고리처럼 둘러싸고(불스아이 조직), 그 바깥쪽이 어두운 펄라이트. 바탕은 페라이트와 펄라이트의 혼합인 경우가 많다.

밝게·어둡게 보이는 이유

• 흑연은 부식하지 않아도 검다. 나이탈로 부식하면 펄라이트는 어두운 섬, 페라이트는 밝은 바탕이 된다.

부식액과 보이는 모습

• 먼저 부식하지 않은 상태에서 흑연의 형태(얼마나 둥근지)를 보고, 나이탈(2%)로 바탕을 드러낸다.

생성 조건(합금과 열처리)

• 주철의 용탕에 소량의 마그네슘을 첨가하여 주조하면 흑연이 구상이 된다.
• 주조한 그대로는 페라이트와 펄라이트가 혼합된 바탕이 많다. 풀림으로 바탕을 전부 페라이트로, 불림으로 거의 펄라이트로 만들 수 있다.

성질

• 주조한 그대로에서는 펄라이트가 늘어날수록 강도와 경도가 높아진다. [3]
• 바탕이 전부 페라이트일 때 인장 강도가 작다. JIS G 5502의 기호 FCD 뒤의 세 자리 숫자는 인장 강도(N/mm²). [4]

혼동하기 쉬운 조직과 구별 방법

• 회주철(편상 흑연 주철): 흑연이 편상이면 회주철.
• 페라이트+펄라이트(아공석강): 흰 페라이트와 어두운 펄라이트의 조합은 같더라도, 검은 구(흑연)가 있으면 주철. 강에는 흑연이 없다.
• 구상화 조직(구상 세멘타이트): 구상화 조직의 입자는 높은 배율에서 겨우 보일 만큼 작고, 흰 고리로 둘러싸이지 않는다.

식별 단서

• 검고 둥근 구
• 구 둘레에 흰 고리
• 그 바깥쪽은 어두운 펄라이트

계산 도구로 확인하기: 철–탄소 상태도 뷰어

보이는 것

• 줄기(1차 가지)에서 거의 직각으로 2차 가지가 늘어서 나온, 나뭇가지나 고사리 잎 같은 무늬.
• 가지의 심과 가지 사이(마지막에 굳은 곳)에서 밝기가 다르다.

밝게·어둡게 보이는 이유

• 주조에서 냉각이 빠르면 고체 속의 확산이 따라가지 못해 심에서 바깥쪽으로 조성이 변한다(편석·유심 조직). 조성에 따라 부식 속도가 다르므로 심과 가지 사이에서 밝기가 바뀐다.

부식액과 보이는 모습

• 구리 합금(Cu–4%Sn 청동)에서는 염화철(III)의 알코올 용액으로 Sn의 편석이 뚜렷하게 드러난다.

생성 조건(합금과 열처리)

• 합금을 주조하여 액체에서 굳을 때. 응고 온도 폭이 넓은 합금일수록 편석이 나타나기 쉽다(Cu–4%Sn은 응고 폭이 100℃를 넘는다).
• 풀림으로 편석을 줄이면 등축 결정립의 조직이 된다(Cu–4%Sn을 700℃에서 2시간 풀림한 예).

성질

• 응고할 때의 체적 수축으로 미세한 기공(마이크로 포로시티)이 남기도 한다. [2]

혼동하기 쉬운 조직과 구별 방법

• 비드만스테텐 페라이트: 비드만스테텐 조직의 판은 입계에서 평행하게 뻗는 쐐기이며, 줄기에서 가지가 나오는 형태가 되지 않는다.
• 회주철(편상 흑연 주철): 편상 흑연은 검고 가는 편이며, 줄기에서 직각으로 가지가 늘어선 규칙적인 형태가 아니다.

식별 단서

• 줄기에서 직각으로 늘어선 가지
• 심과 가지 사이에서 밝기가 다르다
• 주조한 그대로의 조직

관련 용어: 주상정 수축공

확인 문제:

1. Cu-Ni 합금을 실제 주조처럼 빠르게 냉각하여 응고시켰을 때, 덴드라이트(수지상정) 중심부의 조성으로 옳은 것은 무엇인가?
2. 같은 형상의 탄소강 부품을 주조로 만든 경우와 열간 단조로 만든 경우를 비교하면, 일반적으로 단조품 쪽이 인성이나 피로 강도가 우수하다. 그 이유로 옳은 것은 무엇인가?

보이는 것

• 어두운 층과 밝은 층이 번갈아 늘어서고, 층의 방향이 고른 구획(콜로니)마다 방향이 바뀐다.
• 층을 비스듬히 자른 곳에서는 휘어진 선이나 점으로 보인다.

밝게·어둡게 보이는 이유

• Pb–Sn 공정에서는 어두운 층이 Pb가 풍부한 α상, 밝은 층이 Sn이 풍부한 β상.
• 공정 온도에서 두 상의 질량 분율은 지렛대 법칙으로 α가 (97.8 − 61.9)/(97.8 − 18.3) ≈ 0.45이므로, 두 층의 두께가 비슷하다.

부식액과 보이는 모습

• 부식액은 합금마다 다르다(Bi–Cd 공정의 예에서는 염화철(III)의 알코올 용액).

생성 조건(합금과 열처리)

• 공정 조성(Pb–Sn에서는 61.9 wt% Sn)의 합금을 액체에서 냉각하면, 공정 온도(183℃)에서 액체가 두 고상으로 동시에 변하고(L → α + β), 두 상이 협력하여 층상으로 자란다.
• 공정 조성에서 벗어난 합금(예: Pb–30 wt% Sn)에서는 먼저 생긴 초정 α의 결정립 둘레를 공정 조직이 채운다.

성질

• 공정 조성의 합금은 액체 전체가 공정 온도라는 하나의 온도에서 굳는다. [3]

혼동하기 쉬운 조직과 구별 방법

• 펄라이트(공석강): 펄라이트는 고체 강 속에서 생기는 공석 조직으로, 세멘타이트의 층은 페라이트의 층보다 훨씬 얇다(질량 분율로 약 0.11). Pb–Sn 공정의 두 상은 층의 두께가 비슷하다.
• 상부 베이나이트: 상부 베이나이트는 입계에서 자라는 깃털 모양의 다발이며, 층이 번갈아 고르게 늘어선 줄무늬가 되지 않는다.

식별 단서

• 어두운 층과 밝은 층이 번갈아 늘어선다
• 두 층의 두께가 비슷하다
• 구획마다 층의 방향이 바뀐다

관련 용어: 공정 반응 지렛대 법칙 깁스 상률

계산 도구로 확인하기: 이원계 상태도 랩(지렛대 법칙 계산 도구)

확인 문제:

1. Pb-Sn계의 공정 온도를 183℃, 공정 조성을 61.9 wt%Sn, 그 온도에서 α상의 조성을 18.3 wt%Sn, β상의 조성을 97.8 wt%Sn이라고 한다. 30 wt%Sn 합금을 공정 온도 바로 아래까지 평형 냉각했을 때, 조직에서 공정 조직이 차지하는 질량 분율에 가장 가까운 것은 무엇인가?
2. 압력이 일정할 때, 이원계의 공정점(액상과 2개의 고상이 공존하는 점)에서의 자유도는 무엇인가?

보이는 것

• 등축 결정립 안에 곧고 평행한 두 경계 사이에 낀 띠(풀림 쌍정)가 있다. 띠는 결정립을 끝에서 끝까지 가로지르는 경우가 많다.
• 결정립마다 밝기가 다르다.

밝게·어둡게 보이는 이유

• 결정립의 밝기 차이는 결정 방위에 따른 부식 속도의 차이이다. 쌍정의 띠는 주위와 결정 방위가 다르므로 밝기가 다르게 보인다.

부식액과 보이는 모습

• 오스테나이트계 스테인리스강에서는 글리세레기아(입계와 쌍정을 드러내는 일반용)나 10% 옥살산 전해 부식을 쓴다. 황동 같은 구리 합금에서는 염화철(III) 용액이나 과황산암모늄으로 부식한다.

생성 조건(합금과 열처리)

• 면심 입방 금속(SUS304 등의 오스테나이트계 스테인리스강, 구리나 황동 등)을 냉간 가공하고 풀림하여 재결정·결정립 성장시킨다.
• SUS304는 Ni를 포함하므로 실온까지 냉각해도 오스테나이트 그대로 남는다(담금질로 단단해지지 않는다).

성질

• 오스테나이트계 스테인리스강은 열처리로는 경화할 수 없으며, 고온에서 급랭하면 가장 무르게 된다. 강도는 냉간 가공으로 조정한다. [4]

혼동하기 쉬운 조직과 구별 방법

• 페라이트(순철·극저탄소강): 페라이트(체심 입방)의 결정립에는 풀림 쌍정이 보통 보이지 않는다. 곧은 평행선의 띠가 있으면 면심 입방 금속을 의심한다.
• 가공 조직(냉간 가공으로 늘어난 결정립): 냉간 가공하면 결정립이 늘어나고, 쌍정은 휘며, 슬립 띠가 나타난다. 풀림 쌍정은 곧다.
• 석출물(입계에 늘어선 석출과 결정립 안의 입자): 예민화한 스테인리스강을 옥살산으로 전해 부식하면 입계가 굵고 검은 홈이 된다.

식별 단서

• 결정립 안에 곧고 평행한 두 선 사이의 띠
• 결정립은 등축
• 입계는 가는 선

관련 용어: 스테인리스강 재결정 황동

확인 문제:

1. 18%Cr-8%Ni 오스테나이트계 스테인리스강(SUS304)의 성질로 옳은 것은 무엇인가?
2. 냉간 가공한 금속을 가열했을 때의 재결정에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?

보이는 것

• 입계를 따라 석출물의 입자가 늘어서면 입계가 굵고 검은 선(홈)이 된다. 결정립 안에도 드문드문 입자가 보인다.
• 예민화한 오스테나이트계 스테인리스강을 옥살산으로 전해 부식하면, 결정립이 홈으로 완전히 둘러싸인 도랑 조직(ditch)이 된다. 입계에 홈이 없는 계단 조직(step)은 예민화되지 않은 것으로 판정되고, 일부 입계에만 홈이 있어 홈으로 둘러싸인 결정립이 없는 혼합 조직(dual)은 그 중간이다. 모식도는 도랑 조직의 모습이다.

밝게·어둡게 보이는 이유

• 석출물과 그 주위는 모상과 부식 속도가 다르므로, 입계가 선이나 점의 열로 떠오른다.

부식액과 보이는 모습

• 10% 옥살산 전해 부식(ASTM A262의 Practice A)으로 step·dual·ditch를 판정한다. 시그마상이나 탄화물도 드러난다.

생성 조건(합금과 열처리)

• 과포화 고용체를 가열하여 유지하면 제2상이 입계나 결정립 안에 석출된다.
• 오스테나이트계 스테인리스강이 약 500~800℃로 가열되면(용접 열영향부 등) 입계에 Cr 탄화물이 석출되어 예민화한다.
• 광학 현미경으로 분해되는 것은 약 500 nm보다 큰 것이므로, 석출 경화에 기여하는 미세한 석출물은 전자 현미경으로 본다.

성질

• 결정립이 홈으로 완전히 둘러싸인 도랑 조직은 예민화한 조직으로 판정되며, 입계 부식이나 입계 응력 부식 균열을 일으키기 쉽다. [1][2]

혼동하기 쉬운 조직과 구별 방법

• 오스테나이트(풀림 쌍정): 예민화되지 않은 스테인리스강에서는 입계가 가는 선이며, 풀림 쌍정이 보인다.
• 구상화 조직(구상 세멘타이트): 구상화 조직은 둥근 세멘타이트 입자가 결정립 안에도 균일하게 흩어져 있고, 입계가 연속된 홈이 되지 않는다.
• 초석 세멘타이트+펄라이트(과공석강): 과공석강의 그물은 흰 세멘타이트이며, 결정립 안은 펄라이트의 층.

식별 단서

• 입계가 굵고 검은 홈이나 입자의 열
• 결정립 안에 드문드문한 점
• 결정립 안에 층이나 침상은 없다

관련 용어: 예민화 석출 경화 스테인리스강 용접 열영향부

확인 문제:

1. SUS304 등의 오스테나이트계 스테인리스강을 용접하면, 용접선에서 조금 떨어진 열영향부에서 입계 부식이 일어나는 경우가 있다(웰드 디케이). 그 원인과 대책의 조합으로 옳은 것은 무엇인가?
2. Al-Cu 합금(두랄루민계)의 석출 경화 처리 순서로 옳은 것은 무엇인가?

보이는 것

• 크기가 크게 다른 결정립이 섞여 있다. 조대한 결정립이 미세한 결정립 속에 흩어져 있는 것, 미세한 결정립이 조대한 결정립 둘레를 사슬처럼 둘러싸는 것(목걸이 조직), 크기가 다른 결정립이 띠 모양으로 번갈아 늘어선 것(대개 가공 방향으로 늘어난다) 등이 있다.

밝게·어둡게 보이는 이유

• 입계의 선과 결정립마다의 밝기 차이는 보통의 등축 결정립과 같다.

부식액과 보이는 모습

• 그 금속에서 입계를 드러내는 보통의 부식액을 쓴다(강이면 나이탈).

생성 조건(합금과 열처리)

• 결정립의 크기가 부분마다 다른 분포가 되었을 때. 크기가 무작위로 섞이는 유형과, 무늬(목걸이·띠·단면에서의 변화)를 만드는 유형으로 나누어 기술한다.

성질

• 크기가 다른 결정립이 섞인 시료에 평균 결정립도 번호를 하나만 붙여서는 조직을 올바르게 나타낼 수 없으며, 실제로는 없는 크기를 보고하기도 한다. ASTM E1181로 혼립의 유형과 비율을 기술한다. [1]

혼동하기 쉬운 조직과 구별 방법

• 페라이트(순철·극저탄소강): 보통의 등축 결정립 조직은 크기가 대체로 고르며, 결정립도 번호 하나로 나타낼 수 있다.
• 가공 조직(냉간 가공으로 늘어난 결정립): 가공 조직은 결정립이 한 방향으로 늘어난다. 혼립은 결정립의 형태가 등축이어도 크기가 다르다.

식별 단서

• 조대한 결정립과 미세한 결정립의 무리가 섞여 있다
• 결정립의 형태는 등축
• 결정립의 크기가 장소에 따라 크게 다르다

관련 용어: 재결정 홀-페치 관계

보이는 것

• 압연이나 인발 방향으로 결정립이 늘어나고, 결정립 안에 평행한 선(슬립 띠)이 나타난다. 방향이 다른 슬립 띠가 교차하는 곳도 있다.
• 가공 전에 있던 쌍정은 휜다(황동의 예).

밝게·어둡게 보이는 이유

• 슬립 띠는 변형이 집중된 곳으로, 가는 평행선으로 보인다.

부식액과 보이는 모습

• 구리 합금에서는 염화철(III)의 알코올 용액으로 부식한다. 강이면 나이탈.

생성 조건(합금과 열처리)

• 재결정 온도보다 낮은 온도에서 압연·인발·압축 등의 소성 가공을 한다(냉간 가공).
• 가공한 뒤 풀림하면 회복·재결정으로 변형이 없는 등축 결정립으로 돌아간다.

성질

• 소성 가공으로 전위 밀도가 높아져 움직이기 어려워지고, 가공 경화한다(풀림재에서 약 10¹⁰ m⁻², 냉간 가공재에서 약 10¹⁶ m⁻²). [3]

혼동하기 쉬운 조직과 구별 방법

• 혼립(결정립 크기의 불균일): 혼립은 크기가 달라도 결정립의 형태는 등축.
• 오스테나이트(풀림 쌍정): 풀림 쌍정은 곧은 평행선의 띠. 가공 조직의 쌍정은 휘어 있고, 슬립 띠는 결정립 안의 가는 평행선.
• 래스 마르텐사이트(저탄소강의 담금질 조직): 래스 마르텐사이트의 줄은 원래 결정립 안의 구획마다 고르며, 결정립 자체는 늘어나 있지 않다.

식별 단서

• 결정립이 한 방향으로 늘어나 있다
• 결정립 안에 평행한 슬립 띠
• 입계는 남아 있다

관련 용어: 가공 경화 회복 재결정

확인 문제:

1. 지름 10.0 mm의 구리선을 인발하여 지름 8.0 mm로 만들었다. 냉간 가공도(단면 감소율)는 얼마인가?
2. 냉간 가공한 금속을 가열했을 때의 재결정에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
3. 냉간 가공한 금속을 재결정이 일어나지 않을 정도의 온도로 가열할 때 일어나는 회복에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?