[열처리]시간 온도 변태 곡선(TTT Curve) 와 항온 열처리

이번 포스팅에서는 시간 온도 변태 곡선과 항온 열처리에 대해서 알아보겠습니다.

제 포스팅으로 부족한 부분이 많을 테니, 꼭 다른 포스팅과 유튜브나 구글 검색을 해보시는걸 추천합니다.

특히 용어에 관해서 제가 충분히 설명하지 못한 부분이 있으므로, 상의 단면이나, 특성에 대해서는 자체적으로 찾아보셨으면 합니다.

혹은 추후에 번외편으로 적겠습니다.

시간-온도-변태 곡선(Time Temperature Transformation Curve)

대부분의 열처리과정에 있어서 시간이라는 인자가 중요한 인자인데, 평형상태도는 이에 대한 내용이 빠져있습니다. 아주 느린 시간으로 온도가 변화한다는 가정으로 그린 그래프이기 때문입니다.  따라서 시간-온도 변태선도를 알아야합니다.

시간-온도 변태선도는 단독으로 보기 보다는 1.항온 열처리로 인한 상의 변화와 2.연속 냉각 곡선(Continous Cooling Transformation Cuve)과 함께 살펴 보겠습니다.

아래 그래프가 TTT Curve를 나타냅니다.

항온 열처리(Isothermal Treatment)

항온 열처리는 동일 온도를 유지하며 냉각하는 것을 말합니다.

기존에 살펴보았던 Fe-Fe3C 상태도는 온도는 냉각하거나 가열하되, 매우 느린 속도로 변화 할 때의 상의 변화를 나타내는데, 항온 열처리는 A₃, A_cm 온도까지 가열한 상태를 기준으로 냉각을 특정 온도로 하는 것을 말합니다.

항온 열처리를 어느 정도 이해해야 다음에 나오는 연속냉각곡선(CCT Curve)에 대해서 알 수 있습니다.

아래 그래프를 기준으로 설명하겠습니다.(공석강을 기준으로)

1. 오스테나이트 변태 온도까지 가열한상태에서 700도 미만으로 냉각 시킨 상태에서 유지하면 펄라이트로 변하게 됩니다.

즉, P_s 곡선과  P_f 곡선을 지나게 되는데, 이렇게 되면 모든 오스테나이트는 펄라이트로 변하게 됩니다.

펄라이트도 냉각 온도에 따라 펄라이트 입자의 크기가 다른데, 조대한 펄라이트(Coarse Pearlite)와 미세한 펄라이트로 나눌 수 있습니다.

아래 그래프의 대략 730~650도 가량으로 냉각하게 되면 조대한 펄라이트가, 650~550도 가량으로 냉각하게 되면 미세한 펄라이트가 생성됩니다.

2. 조금 더 낮은 온도로 냉각 시켜보겠습니다.

550~250도정도의 온도를 유지하면, 오스테나이트는 베이나이트라는 고체상으로 변태합니다.(B_s-B_f 선을 통과)

이 베이나이트도 펄라이드와 동일하게 상부 베이나이트, 하부 베이나이트로 나누어 집니다.

베이나이트는 펄라이트보다 미세한 조직으로, 일반적으로 펄라이트 보다 강하고 단단하며, 적당한 강도와 연성을 가진 조직입니다..

3. 2.보다 더 낮은 온도로 냉각 시켜보겠습니다.

250도 보다 더 낮은 온도로 냉각하면 오스테나이트 상 자체를 건너 뛰게 되고, M_s라는 선 아래를 지나게 됩니다.

여기서 M은 Martensite, 즉 마르텐사이트를 의미하는데, 열처리에서 가장 중요하게 생각하는 강의 상태를 말합니다. 마르텐사이트에 대해서는 아래에 간략하게 다시 적겠습니다.

4. 하지만, 이 항온 열처리는 실제에서는 거의 불가능한 열처리 조작입니다.

왜냐하면, 냉각수를 어느 정도 동일한 온도로 유지를 할 수 있으나, 냉각 하는 강재를 동일한 온도로 바로 냉각 시킬 수는 없기 때문입니다. 특히나, 부피가 큰 강재의 경우 냉각 수와 만나는 표면과 강재의 심부는 열전달이 일어나는데 시간이 매우 오래 걸리기 때문입니다.

따라서, 실제 냉각 곡선은 연속 냉각 곡선을 보아야합니다.

http://www.mechscience.com/time-temperature-transformation-curve-ttt-diagram/

마르텐사이트(Martensite)란 무엇인가?

FCC 구조에 탄소가 침입형 고용체로 있는 오스테나이트에 충분한 시간을 가지고 냉각 시키면 Fe₃C가 생성되면서 펄라이트가 생성되겠지만, 급격하게 냉각 시켜 탄소가 틈자리를 벗어나지 못하면, 탄소가 철의 자리를 대체하게 되면서 결정 구조를 변경시킵니다. 이때 기존의 Cubic Structure가 Tetragonal Structure로 변하는데, 이를 마르텐사이트라고 합니다. 마르텐사이트는 경도가 매우 높은 조직으로, 이 마르텐사이트 조직을 얻기 위한 것이 열처리의 궁극적인 목표일 정도입니다.

*해당 포스팅은 완전히 전문적인 내용이 아니며, 필자가 공부를 하며 메모하는 식으로 쓴 글입니다.

*100% 학술자료에 바탕하여 작성하지 않았으며, 일부의 내용은 학설과 다를 수 있습니다.

*따라서 포스팅의 내용은 추가되거나 수정될 수 있습니다.

*언제든 잘못된 부분이 있으면 지적해주시면 감사하겠습니다.