펄라이트의 뜻
강의 공석 반응으로 생기는, 페라이트와 세멘타이트가 번갈아 층상으로 배열한 조직. 냉각이 빠를수록 층 간격이 미세해지고 단단해진다.
일본어 명칭: パーライト
‘펄라이트’ 관련 연습 문제는 2개 분야에 5문제가 있습니다(상태도와 지렛대 법칙, 열처리와 금속 재료 등).
이 용어의 분야: 상태도와 지렛대 법칙
펄라이트가 생기는 과정
공석 조성의 오스테나이트를 A1점보다 약간 낮은 온도에서 변태시키면, 주로 오스테나이트의 결정립계에서 펄라이트가 생성됩니다. 페라이트와 세멘타이트가 나란히 동시에 성장하며, 성장하는 선단 바로 앞에서 탄소가 페라이트 쪽에서 세멘타이트 쪽으로 확산하여 넘겨집니다. 층의 방향이 같은 영역을 콜로니라고 하며, 하나의 오스테나이트 결정립 안에 방향이 다른 많은 콜로니가 생깁니다. 이름은 연마하고 부식(에칭)한 면이 진주(펄)와 같은 광택을 보이는 데서 유래합니다.
층간 간격이 강도를 결정한다
펄라이트의 층간 간격은 변태 온도가 낮을수록(과냉도가 클수록) 미세해지며, 과냉도에 거의 반비례합니다. 탄소가 확산해야 하는 거리가 짧아도 되고, 생기는 핵의 수도 늘어나기 때문입니다. 층간 간격이 미세할수록 페라이트 안에서 전위가 움직일 수 있는 거리가 짧아지므로 항복 강도와 경도가 올라가며, 층간 간격의 제곱근의 역수에 비례한다는 관계가 널리 쓰입니다. 노랭하면 조대한 펄라이트, 공랭(불림)하면 미세한 펄라이트가 되어, 같은 탄소량이라도 강도가 달라집니다.
베이나이트, 구상화 조직과의 차이
펄라이트보다 낮고 마르텐사이트가 생기는 온도보다 높은 온도에서 변태시키면, 세멘타이트가 층상이 아니라 미세한 입자나 막대 모양으로 페라이트 안이나 경계에 흩어진 베이나이트가 됩니다. 또한 펄라이트를 A1점 바로 아래에서 장시간 유지하면, 표면 에너지를 낮추도록 세멘타이트가 둥글어져 구상화 조직이 됩니다. 구상화한 강은 같은 탄소량에서 가장 연하고 절삭이나 냉간 가공이 쉬우므로, 베어링강이나 공구강의 가공 전 처리에 사용됩니다.
피아노선과 레일에서의 이용
고탄소강 선재는 약 500~550℃의 납욕 등에서 항온 변태시켜 미세한 펄라이트로 만든 뒤(페이턴팅, patenting), 냉간에서 강하게 신선합니다. 신선으로 층간 간격이 더욱 미세해져, 피아노선, 교량의 현수 케이블, 타이어 보강 코드 등에서는 인장 강도가 2 GPa를 크게 넘습니다. 철도 레일에도 마모에 강한 펄라이트강이 쓰이며, 레일 머리부를 열처리하여 미세한 펄라이트로 만든 것도 있습니다. 펄라이트는 오래전부터 알려진 조직이지만, 지금도 고강도 재료의 주역 중 하나입니다.
펄라이트 연습 문제에 도전
Fe-Fe₃C계 상태도의 공석점에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- A약 0.76 wt%C, 727℃에서 γ → α + Fe₃C가 일어나 펄라이트가 생긴다
- B약 4.3 wt%C, 1147℃에서 L → γ + Fe₃C가 일어나 층상 펄라이트가 생긴다
- C약 0.022 wt%C, 912℃에서 γ → α가 일어나 베이나이트가 생긴다
정답과 해설 보기
정답: A. 약 0.76 wt%C, 727℃에서 γ → α + Fe₃C가 일어나 펄라이트가 생긴다
Fe-Fe₃C계의 공석점은 약 0.76 wt%C, 727℃이며, 오스테나이트(γ)가 페라이트(α)와 세멘타이트(Fe₃C)의 층상 조직인 펄라이트로 바뀝니다. 약 4.3 wt%C, 1147℃의 반응은 액상이 관여하는 공정 반응으로, 생기는 조직은 레데부라이트이며 펄라이트가 아닙니다. 0.022 wt%C는 727℃에서 α의 최대 고용 한도이고, 912℃는 순철의 γ → α 변태 온도입니다. 베이나이트는 평형 상태도에는 나타나지 않으며, 과냉각된 오스테나이트로부터 중간 온도 영역에서 생기는 비평형 조직입니다. 공석 조성보다 탄소가 적은 강을 아공석강, 많은 강을 과공석강이라고 합니다.
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.
- A약 0.51
- B약 0.94
- C약 0.49
정답과 해설 보기
정답: C. 약 0.49
초석 페라이트는 727℃ 바로 위의 α + γ 영역에서 이미 생겨 있는 페라이트이며, 나머지 γ는 모두 펄라이트가 됩니다. 지렛대 법칙에 따라 W_초석α = (0.76 − 0.40)/(0.76 − 0.022) = 0.36/0.738 ≈ 0.49입니다. 약 0.51은 나머지 펄라이트의 분율로, 반대쪽 거리를 취한 오류입니다. 약 0.94는 α + Fe₃C의 2상으로 본 페라이트 전체의 분율 (6.70 − 0.40)/(6.70 − 0.022)로, 펄라이트 속의 페라이트까지 포함하고 있습니다. 초석 페라이트와 펄라이트의 면적 비는 현미경 조직으로부터 아공석강의 탄소량을 어림하는 단서가 됩니다.
자주 묻는 질문
펄라이트와 마르텐사이트의 차이는 무엇입니까?
펄라이트는 탄소가 확산하여 페라이트와 세멘타이트로 나뉜, 평형에 가까운 조직입니다. 마르텐사이트는 급랭으로 확산이 일어나지 않아 탄소를 과포화로 포함한 채 전단적으로 변태한 비평형 조직으로, 훨씬 단단하고 깨지기 쉽습니다.
현미경에서 펄라이트가 거무스름하게 보이는 이유는 무엇입니까?
나이탈 등으로 부식하면 층의 경계가 홈이 되어 빛이 산란하기 때문입니다. 배율이 낮으면 미세한 층을 분해할 수 없어 전체가 어둡게 보입니다. 하얗게 보이는 것은 페라이트나 초석 세멘타이트입니다.
펄라이트의 층간 간격을 미세하게 하려면 어떻게 합니까?
변태 온도를 낮추면(냉각을 빠르게 하면) 됩니다. 공랭하는 불림이나, 500℃ 전후에서 항온 변태시키는 페이턴팅(patenting)으로 미세한 펄라이트를 얻을 수 있습니다. 다만 냉각이 너무 빠르면 베이나이트나 마르텐사이트가 됩니다.
해설 속의 ‘펄라이트’
Fe-Fe₃C계의 공석점은 약 0.76 wt%C, 727℃이며, 오스테나이트(γ)가 페라이트(α)와 세멘타이트(Fe₃C)의 층상 조직인 펄라이트로 바뀝니다.
Fe-Fe₃C계 상태도의 공석점에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?초석 페라이트는 727℃ 바로 위의 α + γ 영역에서 이미 생겨 있는 페라이트이며, 나머지 γ는 모두 펄라이트가 됩니다.
0.40 wt%C 아공석강을 727℃ 바로 아래까지 평형 냉각했다. 초석 페라이트의 질량 분율에 가장 가까…727℃에 이르면 나머지 오스테나이트(약 0.76 wt%C)가 공석 반응으로 펄라이트가 되므로, 실온의 조직은 초석 세멘타이트와 펄라이트가 됩니다.
1.2 wt%C 과공석강을 오스테나이트 영역에서 서랭했을 때, 실온에서 얻어지는 조직은 무엇인가?탄소의 확산을 수반하여 페라이트와 세멘타이트로 나뉘는 것은 펄라이트나 베이나이트이며, 냉각이 느릴수록 생성되기 쉬운 것도 펄라이트입니다.
강의 마르텐사이트 변태에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?Mn, Cr, Mo 등의 합금 원소는 오스테나이트로부터의 펄라이트 변태나 베이나이트 변태를 늦추어, TTT 선도나 CCT 선도의 노즈를 장시간 측으로 이동시킵니다.
강에 Mn, Cr, Mo 등의 합금 원소를 첨가하면 경화능이 향상된다. 그 이유로 옳은 것은 무엇인가?
‘펄라이트’ 관련 문제(5문제)
- Fe-Fe₃C계 상태도의 공석점에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- 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.
- 1.2 wt%C 과공석강을 오스테나이트 영역에서 서랭했을 때, 실온에서 얻어지는 조직은 무엇인가?
- 강의 마르텐사이트 변태에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- 강에 Mn, Cr, Mo 등의 합금 원소를 첨가하면 경화능이 향상된다. 그 이유로 옳은 것은 무엇인가?