베이나이트

3. 형성

1920년대 데이븐포트(Davenport)와 베인(Edgar Bain)은 새로운 강의 미세구조를 발견했다. 이 미세구조는 당시 알려진 저온 마르텐사이트(martensite) 상과 트로오스타이트(troostite, 나중에 미세펄라이트(fine-pearlite)로 알려짐)의 중간 형태라는 이유로 임시적으로 마르텐사이트-트로오스타이트라고 불렸다.^[8] 이후 미국강철공사(United States Steel Corporation)의 베인의 동료들에 의해 베이나이트(bainite)로 명명되었지만,^[9] 과학계에서 이 이름이 받아들여지는 데는 시간이 걸렸다.^[8]

베인과 데이븐포트는 고온에서 형성되는 '상부 베이나이트(upper-range bainite)'와 마르텐사이트 개시 온도(martensite start temperature) 근처에서 형성되는 '하부 베이나이트(lower-range bainite)'의 두 가지 뚜렷한 형태가 존재함을 확인했다. (이러한 형태는 현재 각각 상부 베이나이트와 하부 베이나이트로 알려져 있다.) 초기 용어는 일부 합금에서 펄라이트 반응의 하부 범위와 베이나이트의 상부 범위가 겹치고, 공석 페라이트(proeutectoid ferrite)가 추가로 존재할 가능성이 있었기 때문에 더욱 혼란스러웠다.^[8]

3. 1. 전단 이론 (Displacive theory)

• 판 모양: 변태를 수반하는 형태 변형으로 인한 탄성 에너지 최소화의 결과이다.^[16]
• 과잉 탄소가 베이나이트 페라이트의 결함이 없는 영역 내부에도 보존된다는 사실.^[17]
• 베이나이트 페라이트의 단위 세포가 입방체가 아닌 정방정계일 수 있다는 사실.^{[18][19][20][21]}
• 오스테나이트가 먼저 소성 변형될 때 베이나이트 변태가 극적으로 지연될 수 있다는 사실. (기계적 안정화, 변위 변태에서만 볼 수 있는 현상)^[22]
• 베이나이트가 성장할 때 변위가 발생한다는 명백한 사실. 변태는 마르텐사이트와 마찬가지로 변형과 결정 구조 변화의 조합이다.^[8]

• 미세조직에 의한 설명
• 동역학적 설명(과거)
• 표면 요철에 의한 설명

3. 2. 확산 이론 (Diffusive theory)

4. 미세조직 형태 (Morphology)

일반적으로 베이나이트는 페라이트 판(소단위)이 남아있는 오스테나이트, 마르텐사이트 또는 시멘타이트로 분리된, ''다발(sheaves)''이라고 불리는 집합체로 나타난다.^[24] 2차원 단면에서 보면 소단위는 별개로 보이지만, 실제로는 3차원적으로 상호 연결되어 있으며 일반적으로 렌즈 모양의 판 또는 판상 조직을 나타낸다. 다발 자체는 쐐기 모양이며, 더 두꺼운 끝은 핵 생성 부위와 관련이 있다.

4. 1. 상부 베이나이트 (Upper bainite)

4. 2. 하부 베이나이트 (Lower bainite)

4. 3. 불완전 변태 (Incomplete transformation)

5. 마르텐사이트와 베이나이트의 차이점

베이나이트는 변태 과정 중에 템퍼링(tempering)되는 마르텐사이트로 간주될 수 있다. 베이나이트는 마르텐사이트보다 높은 온도에서 형성되며, 마르텐사이트조차도 자체적으로 템퍼링될 수 있다.^[28] 변태 온도가 높기 때문에 오스테나이트 자체는 기계적으로 약하여 베이나이트에 의한 형상 변형은 인접한 오스테나이트의 소성 변형에 의해 완화된다. 결과적으로, 성장하는 베이나이트 판은 결국 오스테나이트 결정립계에 도달하기 전에 성장을 멈추게 하는 전위의 숲에 직면하게 된다. 따라서 베이나이트 판은 동일한 강철에서 마르텐사이트 판보다 작을 수 있다. 그런 다음 변태는 새로운 판의 연속적인 핵 생성을 포함하는 하위 단위 메커니즘에 의해 진행된다.^[29]

6. 핵생성 (Nucleation)

베이나이트 페라이트 섬유(다발, 쉬프)는 두꺼운 쪽 끝이 오스테나이트 입계를 시작점으로 하여 길게 뻗은 판 모양을 하고 있다. 그 내부는 탄화물이나 잔류 오스테나이트로 구획된 페라이트의 서브유닛을 포함하고 있다. 서로 다른 서브유닛이 만나는 곳은 작은 각도의 경계면과 가는 판 또는 판 모양으로 관찰되며^[44], 나바로(Nabarro)의 관찰 결과에 따르면 이러한 영역에서는 인장응력이 작용하고 있다.^[45]

일반적인 저공석강 및 규소 함유 과공석강의 하부 및 상부 베이나이트 생성은 탄소가 과포화된 페라이트에서 일어난다. 규소를 포함하지 않는 평범한 과공석강만은 높은 변태 온도에서 시멘타이트도 변태의 시작점이 된다.

베이나이트 페라이트의 핵 생성은 열격자 진동과 격자 결함 때문에 대개 오스테나이트 입계에서 일어난다. 핵이 임계 반지름 이상으로 성장하면 핵은 서브유닛으로 성장한다. 새로운(2차적인) 핵 생성은 최초의 베이나이트 페라이트와의 계면에서 일어난다. 오스테나이트 내의 핵 생성은, 거기서 핵 생성에 필요한 에너지가 탄소의 농축에도 불구하고, 높은 에너지의 α-γ 계면에서 낮은 에너지의 α-α 계면으로 대체되기 때문이다.^[46] 베이나이트 페라이트의 성장 속도는 평형 온도가 낮아짐에 따라 증가한다. 이는 서브유닛의 성장이 멈추고, 곧바로 상 계면에 새로운 핵을 생성하기 때문에, 서브유닛이 작고 수가 더 많아지기 때문이다. 서브유닛의 크기는 원래 오스테나이트 입경 및 베이나이트 페라이트 판의 성장과 관련이 있다. 이것은 오스테나이트 입계와 기존의 베이나이트 페라이트에 의해 제약되기 때문이다.

한편, 올슨(Olson) 및 바데시아(Bhadeshia), 코헨(Cohen) 등의 최근 연구에서는 핵의 존재를 바탕으로 베이나이트의 핵 생성은 마텐사이트의 그것과 비슷하다고 보고하고 있다.^[47] 핵 성장을 가능하게 하는 임계 반지름이 존재하는 것은 받아들여지고 있으며, 핵 생성의 문제는 핵 성장으로 귀착된다. 2차적인 핵 생성은 베이나이트 페라이트 판의 성장에서 베이나이트 페라이트 판 선단 근방의 오스테나이트에 변형을 일으키는 것을 설명한다.

바수데반(Vasudevan)과 그레이엄(Graham), 액슨(Axon) 등은 350°C 이하의 온도에서 베이나이트 변태시킨 경우의 변태 속도와 하부 베이나이트 조직의 특성을 보고하고 있다.^[58] 그들의 연구에 따르면 하부 베이나이트의 성장에 필요한 활성화 에너지는 0.61eV이며, 과포화 페라이트에서 탄소의 확산과 관련이 있고, 변태 속도가 탄소의 확산 속도에 지배된다고 논하고 있다. 이는 탄소량의 증가에 따라 α→γ 변태 시의 체적 팽창이 낮은 변태 온도에서 발생하기 때문이라고 설명하고 있다.

래드클리프(Radcliffe)와 롤라슨(Rollason)은 하부 베이나이트 생성에 필요한 활성화 에너지는 0.33eV~0.56eV^[59]이라고 보고했고, 바포드(Barford)는 0.63eV~0.72eV라고 보고하고 있다.^[60] 이러한 결과들은 하부 베이나이트 변태가 여러 가지 기구로 나뉠 수 있음을 시사한다.

7. 핵성장 (Growth)

Bainite^영어 변태가 일어나는 온도 범위에서는 모상 원자는 확산하지 않는 반면, 탄소나 질소와 같은 용질 원소는 매우 잘 확산한다.

먼저 전단설로 설명하면, 오스테나이트와 페라이트의 상계면은 결합되어 있으며, 계면 전위로 이루어져 있다고 볼 수 있다. 변태는 이 계면의 열 활성화된 활주에 의해, 모상 원자의 위치 변화 없이 진행된다.^[48] 이 전단 유도된 마르텐사이트 변태는 침입형 원소의 확산에 지배되며, 계면 이동에 비해 느리다.

바데시아(Bhadeshia)는 격자의 전단과 탄소의 확산이라는 두 가지 메커니즘이 변태 계면의 열 활성화 운동과 관련되어 있다고 보고 있다.^[49] 변태 전 잠복 기간 동안, 생성상의 자유 엔탈피를 감소시켜 계면 운동의 구동력을 증가시키는, 확산 메커니즘이 일어날 수 있다. 장애물을 넘어선 후, 확산 메커니즘에 의한 장애를 만날 때까지 변태 계면은 자유롭게, 순간적으로는 마르텐사이트 변태와 동일한 속도(음속 정도)로 진행된다고 생각한다. 다시 말해, 전단설에서는 서브유닛이 일정한 크기까지 성장하는 동안 과포화 탄소의 확산이 일어나고, 마침내 다음 서브유닛의 핵 생성 과정이 불연속적으로 반복된다고 생각한다. 베이나이트 변태가 불연속적으로 진행된다는 고찰은 앞서 말한 미세조직 관찰에 기초한다. 그러나 겐본(根本)의 in-situ 관찰에서는 마르텐사이트 변태보다 훨씬 느린 속도로 베이나이트 변태가 연속적으로 진행되는 모습이 관찰되었다.^[50]

한편, 확산설 모델은 이러한 생각(전단설)과 대조적이며, Bainite^영어 페라이트의 성장이 확산 지배적인 릿지(step) 운동이 α-γ 계면에서 일어나고, 와이드만슈태텐 구조를 가진 초석 페라이트의 생성과 관련지어 논의된다.^[51] 산드빅(Sandvik)은 그러나 변태가 Bainite^영어 페라이트 판 성장을 수반하는 오스테나이트 측의 변형 쌍정을 넘어 일어나고, 페라이트 내의 격자 결함으로 인식된다고 보고하고 있다.^[52] 릿지의 확산 운동에 지배된 변태는 격자의 결합성이 흐트러지기 때문에, 쌍정 경계에서 멈춰야 한다. 또한 페라이트 내의 격자 결함의 존재는 일반적인 확산 변태와 다르다. 다하멘(Dahamen)은 표면 요철은 확산 변태에서도 일어난다는 사실에서, 표면 요철의 존재가 변태를 전단 지배로 하는 명백한 근거가 되지 않는다고 말하고 있다.^[53]

8. 열역학 (Thermodynamics)

베이나이트 변태의 구동력은 생성 과정과 생성 상의 자유 엔탈피 차이에 의해 결정된다. 이 변태는 반드시 평형 상태를 따르는 것은 아니며, 자유 엔탈피는 생성 과정과 큰 차이를 보인다. 마르텐사이트 및 베이나이트 변태는 모두 준안정 상태로 이어지는데, 이러한 상태는 최소 에너지 상태 및 전이될 수 있는 상태와 관련된 평형 상태에 대한 에너지를 가지며, 평형을 이루기 위해 에너지를 방출한다.^[54] 예를 들어, 탄소가 풍부한 페라이트가 안정한 ε 탄화물이 되는 베이나이트 변태 시에 이러한 에너지 방출이 발생할 수 있다. 또한, 상간의 자유 엔탈피 차이에 의한 농도 구배는 발생하기 어려워 준안정 상태로 이어진다.

9. 잔류 오스테나이트 (Retained austenite)

베이나이트 변태는 탄화물 석출이 없을 경우, 오스테나이트가 평형 또는 준평형 화학 조성에 도달하기 훨씬 전에 멈추는 "불완전 변태" 현상을 보인다. 이는 변태에 참여하는 상들의 화학적 조성 변화 없이 변태가 열역학적으로 불가능해지는 지점에서 반응이 정지하기 때문이다. 초기 연구에서는 주어진 온도에서 특정 부피 분율의 오스테나이트만 베이나이트로 변태되고 나머지는 장시간 지연 후 펄라이트로 분해되는 현상이 발견되었다. 이는 베이나이트 페라이트 형성 시 과포화된 탄소가 주변 오스테나이트로 배출되어 추가 변태를 열역학적으로 안정화시키기 때문으로 설명된다.^[27]

베이나이트 변태가 완전히 끝나려면 오스테나이트에서 탄화물이 생성되어 탄소를 흡수해야 한다. 탄화물 주변 오스테나이트는 탄소 농도가 크게 낮아진다. 오스테나이트 내 탄소 농축은 변태를 멈추게 할 수 있다. 규소(Si) 합금 원소 첨가는 탄화물 형성을 억제하여 변태를 정지시키고, 다량의 오스테나이트가 변태하지 않은 채 상온까지 담금질되면 부분적으로 잔류 오스테나이트가 남는다. 잔류 오스테나이트의 양은 변태 후 오스테나이트의 마르텐사이트 변태 개시 온도(M_s점)에 의존한다.

하부 베이나이트의 낮은 변태 온도에서는 탄소 확산이 거의 일어나지 않아, 베이나이트 변태는 대개 완전히 진행되어 잔류 오스테나이트가 거의 남지 않는다. 그러나 급냉(담금질)으로 변태를 중간에 멈추면, 미변태 오스테나이트는 마르텐사이트로 변태하거나 잔류 오스테나이트로 남는다.

규소 첨가는 과포화된 페라이트에서 탄소 확산을 억제한다. 따라서 베이나이트 변태 정지 시까지 탄소는 미변태 오스테나이트에 확산되어 농축된다. 미변태 오스테나이트에 탄소가 매우 풍부해지면 상온에서 마르텐사이트 변태가 일어난다.

탄소 농축이 탄화물 생성으로 완화되면 베이나이트 변태는 멈출 수 있다. 이 현상은 '불완전 변태 현상' 또는 '변태 정지'라고 불린다. 크롬이나 규소 첨가는 시멘타이트 핵 생성을 저해하여 이러한 현상을 유발할 수 있다. 이 경우, 탄소가 농축된 오스테나이트는 상온까지 급냉 시 안정화되어 다량의 잔류 오스테나이트로 남고, 이는 합금의 기계적 성질에 큰 영향을 미친다.

10. 하부 베이나이트 (Lower Bainite)

하부 베이나이트는 상부 베이나이트보다 낮은 온도(250~400 °C)에서 생성되며, 보다 판상(板狀)의 위드먼스태튼 조직을 갖는다. 하부 베이나이트에서는 상부 베이나이트에 비해 판상 조직 사이의 저각 경계가 훨씬 적다. 또한 페라이트의 습성면은 변태 온도가 감소함에 따라 <111>에서 <110>으로 이동한다.^[26] 하부 베이나이트에서는 시멘타이트가 페라이트와 오스테나이트 계면에서 핵을 형성한다.

이론적으로 하부 베이나이트는 마르텐사이트 변태 종료 온도(Mf점)까지의 온도에서 생성될 수 있다. 낮은 변태 온도에서는 오스테나이트 내 탄소의 확산 속도가 작아짐에도 불구하고 큰 변태 속도가 얻어진다는 점에서, 탄소 확산과 전단 기구가 동시에 작용한다고 보기는 어렵다.

따라서 전단설에서는 먼저 상 계면 근방의 탄소를 완전히 과포화시킨 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태한 후, 탄소가 확산하여 페라이트(마르텐사이트)의 탄소 농도가 오스테나이트와 거의 같아진다고 생각한다.

10. 1. 변태 계면 전방의 탄소 분배

• 판 모양: 변태를 수반하는 형태 변형으로 인한 탄성 에너지 최소화의 결과이다.^[16]
• 과잉 탄소가 베이나이트 페라이트의 결함이 없는 영역 내부에도 보존된다.^[17]
• 베이나이트 페라이트의 단위 세포가 입방체가 아닌 정방정계일 수 있다.^{[18][19][20][21]}
• 오스테나이트가 먼저 소성 변형될 때 베이나이트 변태가 지연될 수 있다(기계적 안정화).^[22]
• 베이나이트가 성장할 때 변위가 발생한다. 변태는 마르텐사이트와 마찬가지로 변형과 결정 구조 변화의 조합이다.^[8]

10. 2. 탄화물 석출

10. 3. 결정 방위 관계

10. 4. 잔류 오스테나이트의 안정화

11. 상부 베이나이트에서 하부 베이나이트로의 전이 온도

Bainite^영어 변태에 대한 논쟁 중 하나는 하부 Bainite^영어에서 상부 Bainite^영어로의 전이에 관한 것이다. 탄소 함량을 0.5% 증가시키면 전이 온도가 400℃에서 약 550℃로 상승하는 것으로 알려져 있다. 탄소 함량이 증가함에 따라 탄소 포화도가 높은 Ferrite^영어가 일정한 속도로 변태하고, Austenite^영어 내 탄소 확산이 느려진다. 따라서 탄화물을 석출하기 위해 Austenite^영어 내에서 탄소가 충분히 확산되려면 더 높은 변태 온도가 필요하다.

한편, 합금 상태가 Fe-Fe₃C 상태도의 A_cm선 외삽선을 넘으면, 합금은 준과잉공석 상태가 되어 Austenite^영어에서 탄화물을 석출하고 상부 Bainite^영어를 생성한다. 따라서 탄소 농도를 0.7% 이상으로 하면 전이 온도는 350℃로 낮아진다. 이 온도 이하에서는 Austenite^영어 내 탄화물 석출이 느려져 하부 Bainite^영어를 생성한다.

탄소 함량이 적으면 전이 온도가 크게 상승하여 Ferrite^영어에서 탄화물이 석출될 만큼 높은 온도가 된다. 상부 Bainite^영어 생성 과정, 특히 장시간 변태의 경우 Austenite^영어에 대한 탄소 농축과 탄소 과포화 Ferrite^영어가 증가하고, 더욱이 Ferrite^영어 내에 탄화물이 석출되기 때문에 (하부 Bainite^영어가 생기지 않고) 변태 기구의 전이가 인식되지 않는다. 이러한 거동은 오히려 준안정적인 Fe-ε계 상태도 상의 상부에서 하부 Bainite^영어로의 전이로 이어진다. 350℃ 이하의 Ferrite^영어에서 ε-탄화물 배출 개념도는 그림 11과 같다. 이에 따르면 탄소 함량에 관계없이 전이 온도는 350℃로 일정하다. 이러한 생각을 바탕으로 ε-탄화물의 배출은 하부 Bainite^영어 생성에 가장 중요한 기구가 된다. 석출된 준안정적인 ε-탄화물은 장시간에 걸쳐 안정적인 Cementite^영어로 변해 간다.^[64]

또 다른 전이 온도에 대한 견해는 다음과 같다. 전이 온도 이하에서는 Bainite^영어 변태에서 Martensite^영어 변태로 변태 기구의 전이가 일어난다(그림 12 참조). 이는 다른 동역학과 변태 온도(B_s점과 M_s점)를 가진다. 전이 온도의 상승은 하부 Bainite^영어 변태에 필요한 구동력과 탄소 함량에 의한 과냉각이라는 탄소 함량 감소에 따른 두 개의 다른 곡선 때문에 발생한다. 실험적으로 관찰되는 저탄소 함량에서의 전이 온도 저하는 담금질성 문제와 동일시된다. Austenite^영어의 분해는 매우 짧은 시간 내에 시작되기 때문에 냉각하면 즉시 상부 Bainite^영어의 변태 온도에 도달한다. 낮은 변태 온도는 시험편의 냉각이 충분히 빨랐기 때문이다. 과포화 Ferrite^영어에서의 ε-탄화물 생성은 Austenite^영어에서 탄소가 확산되어 배출되는 과정으로 표현된다. Ferrite^영어에 존재하는 탄소로부터의 ε-탄화물 생성은 실험적으로는 주로 고탄소강에서만 관찰된다.^[64]

12. 상부 베이나이트 (Upper Bainite)

상부 베이나이트는 400~550 °C에서 다발(sheaves) 형태로 생성된다. 이러한 다발은 서로 거의 평행한 여러 개의 페라이트 판상체(laths)를 포함하며, 주변 오스테나이트와 쿠르주모프-삭스(Kurdjumov-Sachs) 관계를 나타낸다. 이 페라이트는 탄소 농도가 0.03% 미만이어서 판상체 주변에 탄소가 풍부한 오스테나이트가 남게 된다.^[26]

판상체 사이에 생성되는 시멘타이트의 양은 강의 탄소 함량에 따라 달라진다. 저탄소강에서는 판상체 사이에 불연속적인 “스트링거(stringers)” 또는 미세한 시멘타이트 입자가 존재한다. 탄소 함량이 높은 강에서는 인접한 판상체 길이를 따라 스트링거가 연속적으로 나타난다.^[26]

성장하는 베이나이트 페라이트 래멜라에 둘러싸인 오스테나이트에는 탄소가 강하게 농축되어 시멘타이트가 석출될 수 있다. 시멘타이트는 항상 탄소가 농축된 오스테나이트에서 생성되며, 상부 베이나이트의 탄화물은 베이나이트 페라이트 래멜라 경계를 따라 필름상으로 연속적으로 배열된다. 합금 내 탄소량이 증가하면 베이나이트 페라이트의 폭이 좁아지고 탄화물 필름은 불연속적이고 더 자주 생성된다. 베이나이트 페라이트 플레이트 생성 후, 주변 오스테나이트에 발생하는 응력을 완화하는 형태로 탄화물이 생성된다.^[69]

12. 1. 변태 동역학

12. 2. 변태 계면 전방의 탄소 분배

• 판 모양: 변태를 수반하는 형태 변형으로 인한 탄성 에너지 최소화의 결과이다.^[16]
• 과잉 탄소가 베이나이트 페라이트의 결함이 없는 영역 내부에도 보존된다.^[17]
• 베이나이트 페라이트의 단위 세포가 입방체가 아닌 정방정계일 수 있다.^{[18][19][20][21]}
• 오스테나이트가 먼저 소성 변형될 때 베이나이트 변태가 지연될 수 있다(기계적 안정화).^[22]
• 베이나이트가 성장할 때 변위가 발생하며, 변태는 마르텐사이트와 마찬가지로 변형과 결정 구조 변화의 조합이다.^[8]

12. 3. 탄화물 생성

12. 4. 결정 방위 관계

12. 5. 잔류 오스테나이트의 안정화

13. 베이나이트 생성에 미치는 합금 원소의 영향

합금 원소는 베이나이트 생성에 복잡한 영향을 미치며, 그 영향은 서로 상호 작용하여 저해되기도 한다. 철과 치환형 고용체를 형성하는 합금 원소는 베이나이트 변태 온도 영역에서 확산되지 않으므로 간접적인 영향만 준다.^[71][72] 이들은 탄소 확산 속도를 변화시켜 베이나이트 성장 동역학에 영향을 준다.

정성적으로 망간, 니켈, 크롬, 규소와 같은 원소는 베이나이트 변태 개시 온도를 높이고 변태 시간을 길게 한다. 반면, 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 텅스텐과 같은 원소는 TTT 도표에서 펄라이트 영역과 베이나이트 영역을 분리시켜 변태 정지 영역을 발생시킨다.

14. 규소강의 베이나이트 변태

규소(Si)는 탄화물 형성을 억제하여 베이나이트 변태에 영향을 미친다. 규소는 시멘타이트(Fe₃C)에 거의 녹지 않으므로, 시멘타이트 핵 성장은 규소의 확산을 필요로 한다. 이로 인해 국부적으로 탄소 활량이 증가하여 시멘타이트 핵의 성장이 억제된다.^[77]

규소강의 베이나이트 변태는 탄화물 생성이 두 단계로 나뉘기 때문에 더디게 진행된다.

1. 베이나이트 페라이트가 빠르게 생성되고, 주변 오스테나이트에 탄소가 농축된다.

2. 매우 오랜 시간이 지난 후, 탄소가 농축된 오스테나이트에서 탄화물이 생성된다.^[78] 오스테나이트의 탄소량 감소는 페라이트 생성을 지속시키고, 이차적인 페라이트가 생성된다.

하부 베이나이트 영역에서는 규소가 ε-탄화물 생성에 미치는 영향이 적어 페라이트에서 ε-탄화물이 빠르게 생성된다. 그러나 시멘타이트로의 변태는 규소에 의해 억제된다. 하부 베이나이트의 탄화물 생성은 잔류 오스테나이트를 줄인다. 이 탄화물은 상당량의 규소를 포함하여 시멘타이트로 식별하기 어렵다. 상부 베이나이트 변태 온도에서 장시간 유지하면 탄화규소가 생성될 수 있다.^[79][80]

높은 규소 함량과 350-400℃의 변태 온도는 탄소가 농축된 잔류 오스테나이트를 다량 생성하여 합금의 기계적 성질에 악영향을 줄 수 있다. 성장하는 베이나이트 페라이트에 둘러싸인 오스테나이트에서 변형 쌍정이 관찰되기도 한다.

베이나이트의 불완전 변태는 탄화물 석출이 없을 때, 베이나이트 반응이 오스테나이트가 평형 조성에 도달하기 전에 멈추는 현상이다. 이는 변태가 열역학적으로 불가능해지는 지점에서 멈추는 것이다. 초기 연구에서는 특정 온도에서 일정량의 오스테나이트만 베이나이트로 변태하고 나머지는 펄라이트로 분해되는 현상이 발견되었다. 이는 베이나이트 페라이트 형성 시 과포화된 탄소가 주변 오스테나이트로 배출되어 안정화되기 때문으로 설명된다.^[27]

규소강에서는 시멘타이트 생성이 억제되어 불완전 변태가 발생하고, 잔류 오스테나이트가 많아진다. 이는 베이나이트 페라이트 생성 기구 연구에 중요한 단서를 제공한다.

15. 변태 정지/불완전 변태 현상

베이나이트 변태는 온도가 낮아짐에 따라 불완전하게 진행되며, 특정 온도(Bs점)에서는 변태가 멈추는 현상이 관찰된다. 일정 시간이 지나면 펄라이트 생성이 시작되는데, 합금 원소를 첨가하면 펄라이트 변태 온도 영역이 상승하거나 베이나이트 변태 영역이 저온 쪽으로 이동하여 변태에 매우 긴 시간이 걸리게 된다. 이는 고온에서 탄화물 생성이 억제되기 때문이며, 이 짧은 시간 동안 오스테나이트에 탄소가 빠르게 농축된다.

이러한 현상을 '불완전 변태 현상' 또는 '변태 정지'라고 부르며, 베이나이트 변태 기구 논쟁의 핵심 쟁점 중 하나이다. 그러나 이 현상에서 베이나이트 변태가 완전히 정지하는 것이 아니라, 오랜 시간이 지나면 완전히 진행된다는 점에 유의해야 한다. 따라서 현상 자체는 '변태 정지', 변태를 중간에 멈추는 것은 '불완전 변태'라는 용어가 적절하다.

브래들리(Bradley)와 아론슨(Aaronson)은 변태 정지 영역을 '용질 드래그 효과(solute drag like effect, SDLE)'로 설명한다.^[81] 이 모델은 베이나이트 변태 영역에서 침입형 원자(탄소) 확산 중 치환형 원자가 자유롭게 이동하지 못하고 상 경계에 농축된다고 가정한다. 이 원자 주변에서는 탄소 활량이 감소하고, 오스테나이트 내 페라이트의 탄소 확산 구동력이 저하된다. 이 효과는 변태 속도를 늦추고, 극단적인 경우 농축된 상 경계의 이동은 경계에 탄화물을 형성함으로써 정지 상태가 된다.

반면, 바데시아(Bhadeshia)와 에드몬즈(Edmonds)는 합금 원소 첨가 시 탄소 활량 저하가 변태 정지의 원인이 아니라고 반박한다.^[82] 또한 SDLE는 베이나이트와 펄라이트 사이의 변태 정지 영역은 설명할 수 있지만, 하부 베이나이트와 상부 베이나이트 사이의 2차 변태 정지는 설명할 수 없다고 지적한다.

16. 베이나이트 조직을 가진 철기 합금의 기계적 성질

베이나이트 조직에서는 결정립계 강화, 전위 강화, 분산 강화와 같은 강화 기구가 작용한다.^[83]

결정립계 강화에서 베이나이트 조직의 미세 구조에서 결정립 크기를 어떻게 정의할 것인가가 문제가 된다. 한 가지 방법은 결정립 크기를 옛 오스테나이트 입 크기로 하는 것이며, 간접적으로 베이나이트 페라이트 판의 길이 및 베이나이트 래스의 집합체인 패킷의 크기와 관련이 있다. 에드몬즈(Edmonds)와 코크레인(Cochrane)은 강도 특성과 옛 오스테나이트 입 크기 사이에는 관계가 없고, 패킷의 크기와는

:$$

\sigma _{Latten} \propto l^{-1}



의 관계가 있다는 것을 발견했다.^[83]

또 다른 방법은 각 베이나이트 페라이트 판의 폭을 결정립 크기로 하는 것이며,

:$$

\sigma_{Kg} = \alpha_3 \cdot d^{- \frac 1 2}



의 홀-페치 관계(Hall-Petch relationship)에 해당한다. 이것은 변태 온도의 저하에 따라 베이나이트 페라이트 판이 미세하고 많아짐과 동시에 강도의 상승이 인정되는 것에 근거한다.

변태 후 베이나이트 페라이트의 전위 밀도는 10⁹에서 10¹⁰ cm^-2에 달한다. 이러한 높은 전위 밀도로 인해, 변태 온도가 상승하면 베이나이트 페라이트의 생성이 적어지고, 더 고온에서는 많은 탄화물이 존재하게 된다.

소성 변형에서는 이러한 전위의 일부만이 활동 전위로 작용한다. 금속 격자 내의 활동 전위의 운동은 금속 격자의 입체 구조의 비활동 전위나 용해된 불순물 원자, 탄화물, 결정립계, 상 경계에 의해 방해받는다.^[84] 전위 강화의 기여는 정량적으로,

:$$

\sigma_{vers} = \alpha_1 \cdot G \cdot b \cdot \sqrt{\rho}



로 추정된다. 여기서 ''α''₁은 상수, ''G''는 전단 탄성 계수, ''b''는 버거스 벡터의 크기, ''ρ''는 전체 전위 밀도이다.

활동 전위와 각 활동면상의 침입형 원자 또는 치환형 원자 사이에는,

:$$

\sigma_{MK} = \alpha_2 \cdot G \cdot C^M



의 응력 분배가 성립한다. 여기서 ''α''₂와 ''M''은 상수, ''C''는 불순물 원자의 농도이다. 변태 온도가 저하되면 베이나이트 페라이트에 고용된 탄소가 증가하므로, 고용 강화가 커진다.

상부 베이나이트 중의 탄화물은 그 양에 따라 강도 특성에 영향을 미치고, 균열을 발생·전파하기 쉽게 한다. 여기서 탄화물은 베이나이트 페라이트의 계면에 있기 때문에, 결정립 내의 활동 전위와의 상호 작용은 작용하지 않는다. 하부 베이나이트에서는 페라이트 중으로의 탄화물 석출이 시효 강화를 일으켜,

:$$

\sigma_{K} = A \cdot n_e \ln \left( \frac B n_e \right)



의 응력 분배를 준다. 여기서 ''n''_e는 1 mm²당 탄화물 입자의 수, ''A'' 및 ''B''는 상수이다.

몇 가지 상(또는 조직)으로 이루어진 혼합물의 강도 특성을 결정할 때는,

:$$

\sigma = \sum_{i=1}^N {V_i \sigma_i}



의 혼합 규칙이 사용된다. 여기서 ''N''은 전체 상의 수, ''i''는 상을 나타내는 변수, ''V_i''는 상 ''i''의 체적 분율, ''σ_i''는 상 ''i''의 강도 파라미터이다. 이 근사는 상부 베이나이트와 마르텐사이트의 혼합 조직에 적합하다. 그러나 이 식은 하부 베이나이트와 마르텐사이트의 혼합 조직에는 부적합하다. 잔류 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태하지 않는 한, 잔류 오스테나이트를 가진 베이나이트 혼합 조직의 강도는 이 식에 따라 평가할 수 있다.

잔류 오스테나이트의 높은 연성과 변태능 때문에, 잔류 오스테나이트의 양이 많고 독특한 형태를 가진 고규소강의 인성은 다른 특징을 보인다. 변형 상태에서, 탄소가 강하게 농축된 잔류 오스테나이트는 마르텐사이트로 변태하고, 동시에 탄소량이 낮은 쌍정이 오스테나이트로부터 생성되는 모습이 관찰된다. 최대 파단 신율이 되는 잔류 오스테나이트량은 33~37 vol%로 보고되어 있으며, 그보다 높은 잔류 오스테나이트량(50 vol%까지)에서는 인성이 저하된다. 그 이유는 잔류 오스테나이트의 형상에 기인하며, 소량의 잔류 오스테나이트가 침상의 베이나이트 페라이트 중에 존재하는 경우에는, 잔류 오스테나이트가 단단한 베이나이트 페라이트의 윤활막으로 작용하여 연성을 개선한다. 이 잔류 오스테나이트의 연성에 대한 기여(transformation induced plasticity^영어, TRIP 효과)는, 그 가공 유기 마르텐사이트를 매우 발생하기 쉬운 성질 때문이며, 어느 정도의 잔류 오스테나이트의 존재는 인장시험의 파단 신율을 크게 한다. 잔류 오스테나이트가 많이 존재하게 되면, 잔류 오스테나이트가 블록상으로 되어가고, 변형 기구가 가공 유기 마르텐사이트의 생성에서 변형 쌍정의 생성으로 변화한다. 더욱 잔류 오스테나이트량이 증가하면, 블록상의 잔류 오스테나이트의 비율이 커지고, 잔류 오스테나이트의 양이 37 vol%를 넘은 곳에서 파단 신율이 감소로 바뀐다. 이 관계는 변태 온도의 상승에 의해 파괴인성값(K_IC값)이 저하되는 것과 대응한다.

17. 변형 및 강도 특성

18. 실온에서의 반복 변형(피로) 거동

강의 피로는 마케라우흐(Macherauch)에 따르면 탄소성 반복 하중 변위 과정 및 미세 균열 발생 과정, 균열 전파 과정, 최종적인 피로 파괴의 4단계로 분류된다.^[87] 담금질 강은 피로 파괴에 앞서 일어나는 반복 하중 변위 과정 및 미세 균열 발생이 지배적이다. 풀림강 또는 템퍼링 강은 균열 전파 속도를 유지하면서 허용 응력을 크게 하여, 특정 중요 부품의 수명을 연장할 수 있을지도 모른다.

탄소성 반복 하중 변위에 의해, 그림 17에 나타낸 응력-전 변형 관계의 히스테리시스 곡선^[88]에서 재료 특성의 파라미터를 얻을 수 있다. 응력 제어 피로 시험에서는 반복 수 ''N''의 피로 하중을 준 경우의 전 변형 진폭 ''ε''_a,t 및 소성 변형 진폭 ''ε''_a,p를 구한다. 반복 하중에 의한 경화(연화)는 ''ε''_a,p 및 ''ε''_a,t의 감소(증가)로서 얻어진다. 한편, 변형 제어 피로 시험에서는 그에 대해 응력 진폭 ''σ''_a 및 소성 변형 진폭 ''ε''_a,p의 크기를 구한다. 반복 하중에 의한 경화(연화)는 ''ε''_a,p의 감소(증가)로서 얻어진다.^[89] 가로축을 파단되었을 때의 반복 수(한계 반복 수)의 로그에, 세로축에 종속 변수로서 응력 진폭을 플롯한 결과는 일반적으로 S-N 곡선이라고 불린다. 종속 변수 쌍의 ''σ''_a와 ''ε''_a,p, 또는 ''ε''_a,t의 관계성에서, 반복 응력-변형 선도를 얻을 수 있다. 이에 따라 인장 시험의 응력-변형 곡선처럼, 반복 인장의 변형과 항복 응력을 제외할 수 있을지도 모른다.

반복 하중-변위 곡선은 귀납적으로 반복 하중시의 재료 특성을 준다. 풀림 강은 대개 준탄성적인 반복 회수의 잠복 기간 후에, 피로 한계가 반복 하중에 의한 가공 경화와 결부되어 불안정화되는 모습이 인지된다. 이 불안정화는 균일 변형 영역에서 발생하고, 그 인장 방향을 따라 피로 루더스대가 관찰된다.^[90]

템퍼링 강에서도 잠복 기간을 가진 불안정화가 인지되고, 균열의 발생이 촉진된다. 응력 진폭의 증대와 함께 잠복 기간은 짧아지고, 수명도 짧아진다. 기존의 매우 높은 전위 밀도 때문에 새로운 전위의 생성은 있을 것 같지 않고, 소성 변형하기 위해서는 기존의 전위 구조를 재배치해야만 한다. 경화된 재료의 상태는 비평형 농도의 탄소 원자와 탄성 변형의 상호 작용에 의해 전위가 집적하는 기회를 주기 때문에, 반복 하중에 의한 가공 경화를 가져온다. 템퍼링은 고용된 탄소의 농도를 저하시키고, 전위와 탄소 원자의 상호 작용의 가능성을 낮추는 동시에, 전위 구조를 변화시켜 연화시킨다.

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