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[Heat Treatment 열처리] |
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6.1 시간-제3차원 |
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평형상태도 : 시간에 대한 개념은 변수로 고려하지 않고 완전한 확산을 가정하여 구성.
그러나 실제 상변태 반응에서는 시간개념의 도입이 필요하다. 따라서 시간척도의 개념이 첨가되어야 한다.
응고반응이 진행되기 위해서 걸리는 시간은 온도에 따라 변한다.
"무릎형상(knee-shaped)"의 변태곡선 ; 온도에 따른 응고의 완료에 걸리는 시간을 그린 곡선이 융점 부근과 낮은 온도에서는 비교적 응고반응이 느리게 진행되어 마치 무릎과 같은 모양(혹자는 灣(bay)과 같다고 표현하는 사람도 있다.)을 보이는 변태곡선.
* 석출응고과정 : 액체에서 고체가 석출하고 성장하여 완전히 응고하는 과정(2단계)
: 핵생성과정 + 핵성장과정
-핵생성(nucleation)
임계크기 이하의 생성 핵은 소멸
임계크기 이상의 생성 핵은 계속 성장
-핵생성속도(N)
변태온도 ; 고상과 액상이 평형상태 → 변태를 일으키는 구동력(driving force)은 없다.
변태온도 이하 ; 응고에 대한 구동력이 증가 → 핵 생성률 증가
변태온도보다 매우 낮은 온도 ; 확산속도 감소 → 핵 생성률 감소
∵ 핵생성률의 증가는 핵생성을 위한 원자들의 집합이며 이는 확산과정에 의한다.
확산과정은 Arrhenius 거동에 따르므로 절대온도에 의해 좌우될 수 있다.
즉, 핵생성속도는 융점 이하온도에서의 액상의 불안정화에 따른 기여도와 확산의 기여도의 합이 된다.
Þ 변태온도가 Tm 이라면
at Tm : 핵생성속도 0(액상의 불안정화에 따른 기여도가 없음)
limited below Tm : 핵생성속도 최대
beyond limited below Tm : 핵생성속도 다시 감소(확산의 기여도가 없음)
-핵성장속도(G)
핵의 성장과정은 본질적으로 확산작용이므로 역시 Arrhenius식에 따른다.
G=C { e}^{ { -Q} over { RT} }
C : 상수
Q : 자기확산 활성화 에너지
R : 기체상수
T : 절대온도
-전체 변태율
핵생성속도(N)와 핵성장속도(G)의 곱으로 결정된다. |
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6.2 TTT 선도(The TTT Diagram) |
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-TTT 선도 : 온도(Temperature), 시간(Time), 변태(Transformation) 곡선
a. 확산변태(diffusional transformation)
-확산의 정도에 따라 금속조직의 형태가 결정된다.
예) 강의 공석조성에서의 냉각
공석온도 부근에서 긴 시간 ; 핵생성속도<핵성장속도 (Arrhenius 식에 의해 확산이 용이)
조대한 pearlite 조직 생성
비교적 낮은 온도에서 냉각 ; 핵생성속도>핵성장속도
조밀한 pearlite 조직 생성
400℃ 이하의 온도 ; 보다 조밀한 침상의 bainite 조직 생성
-조대한 pearlite는 조밀한 pearlite나 bainite에 비해 전체 계면면적이 작다. → 안정하다.
따라서 한 번 생성된 조대한 pearlite는 더욱 냉각되어도 그 조직을 유지한다.
b. 무확산변태(difussionless transformation)
-강의 TTT 선도 중 250℃ 이하에서 나타나는 과정의 하나로 순간적인 변태가 일어나 martensite라는 조직이 생성된다.
-이러한 변태를 martensite 변태라 하며 대표적인 무확산변태이다.
-강이 아닌 다른 재료에서 나타나는 무확산변태도 martensite 변태라는 용어를 사용한다.
-Bain에 의해 처음으로 제시된 이론
-austenite(fcc : face centered cubic) → martensite(bct : body centered tetragonal)
-공석온도를 지날 때 약 550℃에 있는 무릎부위를 걸치지 않도록 빠르게 냉각시킴으로써 martensite 조직을 얻을 수 있다.
-martensite는 침상의 조직배열로 매우 강하고 취약하다.
-Ms : martensite start temperature. 공석조성에서는 약 215℃, 과공석조성에서는 이보다 낮은 온도에서 그리고 아공석조성에서는 이보다 높은 온도에서 시작된다.
-Mf : martensite finish temperature. 100% martensite temperature는 -46℃이다.
-martensite는 준안정상으로 열처리에 의해서 조직과 성질을 변화시킬 수 있다.
예) martempering
c. 강의 열처리(heat treatment of steel)
-martensite와 관련된 일반적인 열처리는 quenching 과 tempering이다.
-quenching 과정 중 불균질한 냉각에 의해 뒤틀림이 올 수도 있다. - 해결 : martempering
-martempering : Ms 바로 위의 온도까지 급냉하고 변태구간은 서냉하여 martensite는 생성시키며 뒤틀림이 안 생기도록 한 후 tempering 처리하여 연성을 부여한다.
-austempering : Ms 바로 위의 온도까지 급냉하고 이 온도에서 오랜 시간 유지하여 bainite를 생성시키고 이후 냉각하여 bainite를 얻는 것이다. bainite는 martensite 보다 안정하여 실온까지 냉각시켜도 martensite는 생성되지 않으며 bainite의 변태온도 조절로 성질을 조절한다.
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6.3 경화능(Hardenability) |
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-경도 : 표준시험에서 생성된 압입정도(degree of indentation).
압입이 작을수록 경도가 크며 대개 강도와 관계성을 갖는다.
-경화능 : quenching에 의해 경화될 수 있는 강의 상대적인 능력.
-조미니 경화능 시험(Jomini end-quench test)
; 표준크기의 강봉(25 ㎜ 직경, 100 ㎜ 길이의 봉)을 austenite temperature까지 가열하고 한쪽 끝에 물을 분부하여 급냉시키면서 냉각속도의 구배를 만들고 이에 따른 경도값을 비교한다.
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6.4 석출경화(Precipitation Hardening) |
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-석출경화 : 작은 2차상의 석출을 일으켜 전위의 이동을 억제함으로써 경화시키는 현상.
치과에서의 대표적인 석출경화형 합금으로는 Al-Cu가 있다.
-Al-Cu system
; 96% Al에서 서냉시 입계에 θ상이 석출 → 600℃ 정도로 가열하여 용체화처리(solution treatment) → 과포화된 균일단상 → 급냉하여 실온에서 과포화상 유지 → 중간온도로 재가열 또는 시효(aging) → 조직내에 균일한 θ상 석출 → 시효경화(age hardening)현상
과시효되면 균일한 석출상이 모여 크고 적은 수의 석출상을 나타내 경화현상 감소.
-Guinier-Preston(G-P) zone : 균일한 석출물들.
정합계면(coherent interface) : 기질상과 석출상과의 계면
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6.5 어닐링(Annealing) |
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-어닐링(annealing) : 기계적으로 가공된 미세구조의 경도가 고온에서 감소되는 열처리.
a. 냉간가공(cold working)
-냉간가공 : 금속을 비교적 낮은 온도에서 기계적으로 변형시키는 것.
-냉간가공량 : 합금의 단면적의 상대적인 감소로 정의.
%CW= { { A}_{o }- { A}_{f } } over { { A}_{o } } ×100
Ao : 본래의 단면적
Af : 냉간가공에 따른 최종 단면적
-변형경화 : 합금의 경도와 감소가 냉간가공의 증가와 함께 증가하는 현상.
-전위밀도 : 단위체적당 전위선의 길이(m/㎥)
-냉간가공이 클수록 전위밀도가 증가하여 경도가 증가하게 된다(전위밀도 ; 1016 m-2).
-어닐링된 금속의 전위밀도는 감소하여 경도가 감소한다(전위밀도 ; 1010 m-2).
b. 회복(recovery)
-회복
: 전체적인 미세구조의 변화는 일어나지 않지만 원자이동도는 충분하여 내부의 점결함의 농도를 감소시키고 낮은 에너지위치로 전위의 이동을 허용하여 경도의 감소를 가져오는 현상.
c. 재결정(recrystallization)
-재결정
: 냉간가동에 의해 응력집중을 받은 영역에서 응력이 해소된 등축의 결정립이 핵생성하여 전체 미세구조를 이루게 될 때까지 성장하는 과정.
연화능이 많이 나타나는 열처리 구간이다.
-재결정온도 : 기계적 성질에 영향을 미치는 데 충분한 원자이동도를 갖는 온도
절대융점온도 Tm의 약 ⅓∼½ 사이의 온도범위
%CW 의 영향을 받음 ; %CW ↑ → 재결정온도 ↓
d. 결정립성장(grain growth)
-결정립성장
: annealing 과정에 의해 결정립의 조대화가 일어나는 현상.
냉간가공된 금속의 미세구조 ; 많은 결정립 → 에너지 준위가 높은 계면의 면적 증가
계면을 줄일수록 계가 안정화 → 표면적 감소를 위해서 입자의 크기는 증가
-결정립 성장단계에서 합금의 연화능력은 크지 않다.
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6.6 비금속에 관한 상변태 속도론(The Kinetics of Phase Transformations for Nonmetals) |
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-비금속 중에서는 세라믹이 금속과 비교적 유사한 상변태 속도론을 보여 준다.
-결정화 유리(glass-ceramic)
; 유리로 성형한 후 결정화시켜 비교적 강한 세라믹을 만든다.
-석출강화(precipitation strengthening)
; 금속에서의 석출경화와 같이 부분적으로 안정화된 재료 내에 석출물들이 형성되어 강화가 일어난다.
-Stabilized Zirconia
; 20mol%의 CaO를 첨가함으로써 입방구조로만 형성하여 안정화시킨 재료.
-Partially Stabilized Zirconia, PSZ)
; 완전하게 안정화된 zirconia보다 우수한 기계적 성질을 보인다. monoclinic + cubic
-소결(sintering)
; 분말입자들의 결합에서 일어나는 현상으로 고상확산에 의해 분말은 치밀화가 일어나고 이웃입자들 사이의 기공은 점차 소멸된다. 이 모든 과정을 소결이라 한다.
이때 결정성장이 서서히 일어나면 계면을 따라 기공이 빠져나갈 수 있는 시간이 충분하나 급속히 일어나면 미처 빠져나가지 못하고 포획되는 경우가 많이 있다.
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<HOMEWORK>
6.2-1. 그림 6.2-10의 TTT 선도를 이용하여 풀이
6.2-3. 그림 6.2-9와 그림 6.2-10의 TTT 선도를 이용하여 풀이
6.3-1. 예제 6.3-1과 그림 6.3-2, 그림 6.3-4 이용하여 풀이
6.4-1. 그림 5.5-10을 이용하여 풀이
6.5-1. 그림 5.5-11을 이용하여 풀이 | | |
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6.1 시간-제3차원