마르텐사이트의 뜻
오스테나이트를 급랭했을 때 확산을 수반하지 않는 전단형 변태로 생기는 조직. 강에서는 탄소를 과포화로 고용한 체심 정방정이며, 매우 단단하다.
일본어 명칭: マルテンサイト
‘마르텐사이트’ 관련 연습 문제는 7개 분야에 13문제가 있습니다(열처리와 금속 재료, 재료의 가공과 접합, 표면 처리와 트라이볼로지 등).
이 용어의 분야: 열처리와 금속 재료
확산하지 않는 변태
강을 오스테나이트 영역에서 임계 냉각 속도보다 빠르게 냉각하면, 탄소 원자가 확산하여 세멘타이트를 만들 시간이 없습니다. 그 대신 철 원자가 집단으로 조금씩 어긋나는 전단형 변태가 일어나, FCC인 오스테나이트가 탄소를 과포화로 포함한 체심 정방정(BCT)의 마르텐사이트로 바뀝니다. 원자의 이동 거리는 원자 간 거리보다 짧고, 변태는 음속에 가까운 속도로 진행됩니다. 변태 전후에 조성이 변하지 않으며, 변태량이 유지 시간이 아니라 도달 온도로 정해진다는 것이 특징입니다.
Ms점과 Mf점
마르텐사이트 변태는 냉각 중 Ms점에서 시작하여 온도가 내려감에 따라 진행되고, Mf점에서 거의 끝납니다. Ms와 Mf는 탄소량이나 합금 원소가 많을수록 낮아지며, 탄소량이 많은 강에서는 Mf가 실온보다 낮아지므로 다 변태하지 못한 잔류 오스테나이트가 남습니다. 잔류 오스테나이트는 시간이 지나면서 변태하여 치수 변화의 원인이 되므로, 정밀 부품에서는 0℃ 이하로 냉각하는 서브제로 처리를 합니다. 급랭 시의 부피 팽창과 온도 차는 담금질 균열이나 변형(뒤틀림)의 원인도 됩니다.
경도의 근원과 템퍼링
마르텐사이트의 경도는 주로 탄소량으로 정해지며, 과포화 탄소에 의한 큰 격자 변형과 높은 전위 밀도가 전위의 운동을 강하게 방해합니다. 한편 매우 깨지기 쉬우므로 보통은 템퍼링(뜨임)하여 사용합니다. 템퍼링에서는 과포화 탄소가 미세한 탄화물로 석출되고 내부 응력이 완화되어, 경도는 낮아지지만 인성이 크게 향상됩니다. 공구 등에는 저온 템퍼링, 축이나 기어 등에는 고온 템퍼링(담금질과 템퍼링을 합쳐 조질)을 구분하여 사용해, 용도에 맞는 경도와 인성의 조합을 얻습니다.
강 이외의 마르텐사이트
마르텐사이트 변태는 강에서만 일어나는 현상이 아닙니다. Ni-Ti 합금에서는 마르텐사이트 변태와 역변태를 이용한 형상 기억 효과와 초탄성이 얻어지며, 의료용 와이어와 액추에이터에 쓰이고 있습니다. 지르코니아의 정방정에서 단사정으로의 변태도 마르텐사이트형 변태이며, 변태 강인화에 이용됩니다. 어느 경우든 확산을 수반하지 않고 원자가 협동적으로 어긋난다는 공통의 메커니즘을 가지며, 변태의 결정학이 거시적 성질을 결정합니다. 변태 온도는 합금 조성에 따라 크게 달라지므로 조성 관리가 중요합니다.
마르텐사이트 연습 문제에 도전
강의 마르텐사이트 변태에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- A탄소 원자가 먼 거리를 확산하여, 오스테나이트 결정립계에 세멘타이트를 석출시키면서 천천히 진행된다
- B확산을 수반하지 않는 전단형 변태로, 탄소를 과포화로 포함한 체심 정방정(BCT)이 생긴다
- C냉각 속도가 느릴수록 탄소가 확산하여 재배열할 시간이 생기므로, 마르텐사이트가 많이 생성된다
정답과 해설 보기
정답: B. 확산을 수반하지 않는 전단형 변태로, 탄소를 과포화로 포함한 체심 정방정(BCT)이 생긴다
오스테나이트를 임계 냉각 속도보다 빠르게 급랭하면, 탄소가 확산할 시간이 없는 채로 원자가 집단으로 조금씩 어긋나는 전단형 변태가 일어나, 탄소를 과포화로 포함한 체심 정방정(BCT)의 마르텐사이트가 생깁니다. 탄소가 격자를 c축 방향으로 일그러뜨리므로 매우 단단하고 취약한 조직입니다. 변태는 Ms점에서 시작되어 온도가 내려갈수록 진행되며, 유지 시간에는 거의 의존하지 않습니다. 탄소의 확산을 수반하여 페라이트와 세멘타이트로 나뉘는 것은 펄라이트나 베이나이트이며, 냉각이 느릴수록 생성되기 쉬운 것도 펄라이트입니다.
자주 묻는 질문
마르텐사이트는 왜 단단합니까?
탄소가 과포화로 고용되어 격자를 크게 일그러뜨리고, 변태로 많은 전위와 쌍정이 도입되므로 전위가 매우 움직이기 어렵기 때문입니다. 경도는 주로 탄소량으로 정해집니다.
담금질하면 반드시 마르텐사이트가 됩니까?
냉각 속도가 임계 냉각 속도보다 느리면 도중에 펄라이트나 베이나이트가 생깁니다. 굵은 부재의 중심부는 잘 식지 않으므로, 경화능이 높은 합금강을 사용하거나 냉각 능력이 높은 냉각제를 사용합니다.
잔류 오스테나이트란 무엇입니까?
Mf점이 실온보다 낮은 강에서, 담금질 후에도 변태하지 않고 남은 오스테나이트입니다. 시간이 지나면서 변태하여 치수가 변하므로, 서브제로 처리나 템퍼링으로 줄입니다.
해설 속의 ‘마르텐사이트’
오스테나이트를 임계 냉각 속도보다 빠르게 급랭하면, 탄소가 확산할 시간이 없는 채로 원자가 집단으로 조금씩 어긋나는 전단형 변태가 일어나, 탄소를 과포화로 포함한 체심 정방정(BCT)의 마르텐사이트가 생깁니다.
강의 마르텐사이트 변태에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?둘 다 세로축이 온도, 가로축이 시간(로그 눈금)인 별개의 선도이며, 노즈(코)보다 빠르게 냉각하면 마르텐사이트를 얻을 수 있습니다.
TTT 선도(항온 변태 선도)와 CCT 선도(연속 냉각 변태 선도)의 차이로 옳은 것은 무엇인가?경화능은 담금질로 마르텐사이트를 얻을 수 있는 깊이(담금질 경화의 용이성)를 말합니다.
강에 Mn, Cr, Mo 등의 합금 원소를 첨가하면 경화능이 향상된다. 그 이유로 옳은 것은 무엇인가?담금질한 그대로의 마르텐사이트는 단단한 반면 매우 취약하고, 큰 내부 응력도 안고 있습니다.
담금질한 강에 템퍼링(뜨임)을 하는 주된 목적은 무엇인가?균열이 진행되면 그 선단의 인장 응력에 의해 정방정이 단사정으로 마르텐사이트적으로 변태하여 약 4%의 부피 팽창을 일으킵니다.
부분 안정화 지르코니아가 높은 파괴 인성을 나타내는 주된 이유는 무엇인가?
‘마르텐사이트’ 관련 문제(13문제)
- 강의 마르텐사이트 변태에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- TTT 선도(항온 변태 선도)와 CCT 선도(연속 냉각 변태 선도)의 차이로 옳은 것은 무엇인가?
- 강에 Mn, Cr, Mo 등의 합금 원소를 첨가하면 경화능이 향상된다. 그 이유로 옳은 것은 무엇인가?
- 담금질한 강에 템퍼링(뜨임)을 하는 주된 목적은 무엇인가?
- 부분 안정화 지르코니아가 높은 파괴 인성을 나타내는 주된 이유는 무엇인가?
- 18%Cr-8%Ni 오스테나이트계 스테인리스강(SUS304)의 성질로 옳은 것은 무엇인가?
- 강의 용접성의 지표가 되는 탄소 당량을 Ceq = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15 (질량%)로 구한다. C 0.20%, Mn 1.20%, Cr 0.30%, Mo 0.10%, V 0%, Ni 0.30%, Cu 0.15%인 강의 Ceq에 가장 가까운 것은 무엇인가?
- 고장력강의 용접에서 용접 후 몇 분~며칠 사이에 열영향부 등에 생기는 저온 균열(수소 균열)을 막기 위해 예열을 한다. 예열의 효과로 옳은 것은 무엇인가?
- SUS304 등의 오스테나이트계 스테인리스강을 용접하면, 용접선에서 조금 떨어진 열영향부에서 입계 부식이 일어나는 경우가 있다(웰드 디케이). 그 원인과 대책의 조합으로 옳은 것은 무엇인가?
- 용해도 갭을 가지는 고용체를 고온의 1상 상태에서 급랭하여, 갭 안쪽의 온도에서 유지했다. 스피노달 분해에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- 치열 교정 와이어나 스텐트에 사용되는 Ni-Ti 합금(약 50 at%Ni)의 초탄성 메커니즘으로 옳은 것은 무엇인가? 사용 온도는 역변태 종료 온도 Af보다 높다고 한다.
- 석영 모래알(경도 약 1000 HV)을 포함한 토사에 쓸리는 건설 기계 부품에서, 연삭 마모를 줄이는 재료 선택 방법으로 옳은 것은 무엇인가?
- 저탄소강(약 0.2%C)의 기어에 침탄 담금질을 한다. 이 처리에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?