[기계재료]탄소강의 현미경 조직 관찰 실험보고서

4. 탄소의 함량에 따른 탄소강의 미세조직 변화

① 페라이트(ferrite)
순수한 철은 상온에서 페라이트 상으로 존재하는데 이는 체심입방격자(B.C.C. : body centered cubic)의 원자배열을 갖는다. 탄소(carbon)가 함유된 페라이트는 철의 체심입방격자 내에 탄소가 고용된 상태이며 탄소의 최대 고용도는 723도에서 0.02wt%이다. 이는 철(Fe)원자 1,000개당 탄소 원자 1개까지 고용되는 상태이다.
② 오스테나이트(austenite : γ)
철을 723도 이상으로 가열하면 오스테나이트(austenite : γ)가 된다. 오스테나이트는 면심입방격자(F.C.C.: face centered cubic)의 원자배열을 갖는다. 탄소가 함유된 철의 경우면심입방격자 내에 탄소가 고용된 상태이며 고용도는 1148도에서 최대 2.0wt%인데 이는 철 원자 10개에 탄소원자 1개 정도가 고용된 상태이다
③ 펄라이트(pearlite)
철에서는 다섯 가지의 변태가 일어나는데 이중 723도에서 일어나는 공석반응이 가장 중요하다. 공석반응은 723도 이상에서 오스테나이트가 서냉 하면서 순수 철인 페라이트왿� 철과 탄소의 화합물인 시멘타이트(cementite : Fe3C)를 각각 생성하는 반응이다. 생성된 페라이트왿� 시멘타이트는 층상(Lamella)으로 나타나며 그 모양이 조개 껍질층 같다고 하여 펄라이트라고 한다. 펄라이트는 페라이트나 오스테나이트보다 경도가 높지만 상대적으로 깨지기 쉽다.
이 조직변화 과정은 강에 포함된 탄소량에 따라서 조금 다른데 그 내용은 다음과 같다.
- 아공석강(hypo-eutectoid steel, 탄소량 < 0.8%) : 오스테나이트의 결정 경계에서 페라이트가 형성되기 시작하고 723도에서 나머지 오스테나이트가 펄라이트로 변한다. 따라서 경계부분은 초석 페라이트, 나머지 부분은 공석 페라이트왿� 공석 시멘타이트로 이루어지 펄라이트가 된다.
- 공석강(eutectoid, 탄소량 = 0.8%) : 오스테나이트가 결정경계(Grain-boundary)부분부터 공석 반응을 일으켜 723도에서 조직 전체가 공석 페라이트왿� 공석 시멘타이트로 변화한다. 이 두 조직은 층상(Lamella)으로 형성되는데 이렇게 형성된 조직을 펄라이트(Pearlite)라고 한다.
- 과공석강(hyper-eutectoid steel탄소량 > 0.8%) : 오스테나이트 결정 경계에서 시멘타이트가 형성되고 723도 이하에서 나머지 조직이 펄라이트로 변한다. 따라서 경계면은 초석 시멘타이트, 나머지 조직은 공석 페라이트왿� 공석 시멘타이트로 구성된 펄라이트가 됨.