신소재공학실험 | 탄소함량의 경도차이 및 금속조직의 관찰

 

 

 

TIP

 

 

SM20C, SM45C의 시편으로 탄소 함량에 따른 경도를 측정해 본다. 
본 실험은 주어진 시료를 가지고 광학현미경 시편을 만들어 광학현미경에 의한 조직 관찰법의 개요를 습득한다.

 

 

 

탄소강

단순히 강이라고 하는 것으로 불순물로서 규소, 망간, 인, 황을 함유하지만, 철과 탄소의 합금 중에서 열처리 가 가능한 0.1∼1.5 %의 탄소를 함유한 것을 말한다. 탄소량 0.9 % 인 곳을 경계로 해서 조직이 변하여 이것보다 저 탄소에서는 페라이트라고 하는 소량의 탄소가 들어 있는 비교적 연한 철의 상 이 있는데 이 사이를 페라이트와 시멘타이트 가 쪽 매널 세공과 같이 잘게 혼합된 상(펄라이트)이 메우고 있다.

 

탄소량이 증가할수록, 이 펄라이트의 비율이 증가하여 0.9 % 탄소에서 전부 펄라이트가 된다. 이것보다 고탄소 측에서는 시멘타이트 사이를 펄라이트가 메운 조직으로 되어, 탄소량이 많을수록 시멘타이트가 증가하여 1.5 %에서 약 10 %가 된다. 이 때문에 0.9 %까지는 탄소가 증가하는 데 따라 단단해지지만, 담금질 후의 경도도 같이 변하므로 용도에 따라 적당한 탄소량의 것을 선택하여 사용한다.

 

1. 탄소강의 성질

① 탄소강의 물리적 성질 : 탄소강의 물리적 성질은 탄소 함유량, 열처리, 기계 가공차이 등에 따라 상당히 변화한다.

② 탄소강의 기계적 성질 : 세로 탄성 계수, 가로 탄성 계수, 푸아송 비는 어느 것이나 탄소 함유량에는 거의 관계없이 일정하지만, 일반적으로 기계적 성질은 탄소 함유량, 열처리, 가공 등의 영향을 받아 광범위 하게 변화한다.

③ 탄소 함유량과 기계적 성질과의 관계 : 경도, 인장 강도는 탄소가 1.0% 부근까지는 거의 탄소의 양에 비례하여 증가하고, 1.0%를 넘을 때에는 인장 강도는 급격히 감소 하지만 경도는 증가한다. 연신(elongation)과 충격값은 직선적으로 감소하여 0.1%를 넘을 때에는 충격값은 거의 0에 가깝게 된다.

 

2. 탄소강 종류

① 저탄소강 - 탄소함유량이 0.02 - 0.25%정도이며, 강도가 낮고 무르며 가공하기가 쉬워 철판, 철근, 철사 등에 쓰인다. 극연강과 연강

② 중탄소강 - 탄소함유량이 0.25 - 0.55%정도이며, 저탄소강 보다 강도와 경도가 커서, 볼트 등의 기계 부품, 구조용 재료 등에 쓰인다. 반연강과 반경강

③ 고탄소강 - 탄소함유량이 0.55 - 1.6%정도이며, 강도가 크고 단단하여, 칼, 끌, 대팻날 등의 공구, 레일 등에 쓰인다. 경강과 최경강

 

3. 0.4%탄소강

0.4% 탄소강의 경우 : 그림에서 GS선 이하에서는 ferrite(a-고용체)가 다시 형성되기 시작하며 매우 적은 탄소를 고용 할 수 있다. ferrete 내의 과잉 탄소원자는 움직이기 시작하며 먼저 충분히 존재하는 austenite결정으로 다시 사라진다. 냉각이 계속됨에 따라 ferrite 입자가 점점 많아지며 존재하는 austenite결정에는 항상 탄소가 증가된다. 723도 이하에서는 austenite입자가 더 이상 안정하지 못하며 PS선상의 한 정점에서 ferrite변태를 한다. ferrite는 격자 내에 용해도가 낮으며 탄소를 위한 자리가 없으므로 3개의 주 원자와 결합하여 cementite로 조직에 나타나게 된다.

 

 

Austenite결정으로부터 형성된(r-결정의 분해) ferrite결정은 판상 철탄화물과 함께 현미경 조직에서 크게 확대함으로써 관찰 할 수 있다. 부식 후 경사지게 비춰보면 ferrite 입자가 박힌 층상 철탄화물로 된 조개 껍질형의 경계를 관찰 할 수 있는데 이것을 perlite라고 한다. 각 pearlite 입자는 공석으로 0.8%C를 함유하고 있으므로 서냉하면 비 합금강 조직으로부터 탄소 함유량을 추측 할 수 있다. 조직의 절반이 탄소가 많은 ferrite 입자이고 다른 절반은 pearlite 입자로 되어 있으며 이들 각각이 0.8%C를 함유한 강은 탄수 함유량이 0.4%가 된다.

 

① 해설 : 철에 탄소가 0.1%이상 함유되어 있으면 페라이트 이외에 펄라이트가 뚜렷이 나타나며 이 펄라이트가 차지하는 면적은 탄소 함유량의 증가에 따라 증대하고, 불림(normalizig) 상태에서는 0.4%전후에서 약 절반.0.77%에 서는 전부 펄라이트가 된다. 이와 같이 펄라이트가 많아짐에 따라 경도, 인장강도는 증가하고 ,반대로 신율, 충격치 등은 감소한다, 펄라이트의 부분은 검게 부식되기 쉽고 고배율로 보면 층상으로 보인다.

 

아공석강(0.77% 이하)을 오스테나이트(austenite)상태에서 서냉하면 A3 변태점에 초석페라이트가 나타나고 A1점에서 나머지의 오스테나이트가 펄라이트로 공석변태한다. 냉각을 어느 정도 빨리 하면 오스테나이트가 과냉되어 변태점이 저하하기 때문에 불림 조직은 로냉조직 보다도 다소 페라이트 양이 적다 탄소량이 약 0.25% 이하의 아공석강은 급냉 템퍼링을 실시하면 기계적 성질이 좋아지고 강인성을 증대시켜 기계부품에 적합하게 되지만 저탄소강에서는 특히 질량효과가 크므로 두께가 두꺼운 부품에는 내부까지 경화시킬 수 없어 내부의 기계적 성질 향상은 바랄 수 없다.

 

② Fe-C상태도의 탄소는 철과 화합하여 시멘타이트(Fe₃C)의 형태로 되는 경우와 또는 탄소 군체의 흑연으로 되는 경우가 잇다. 강의 경우는 주로 시멘타이트의 형태로 존재하지만 주철에서는 흑연과 시멘타이트의 두 가지 형태가 나타난다. 강의 경우는 주로 시멘타이트의 형태로 존재하지만 주철에서는 흑연과 시멘타이트의 두 가지 형태가 나타난다. 보통 시멘타이트는 고온으로 가열하면 철과 흑연으로 분해되므로 준 안정상이라고 할 수 있고 오히려 흑연이 안정상으로 간주된다. 그림의 실선이 상태도를 나타내고 점선이 철-흑연계 상태도를 나타내는 것이다 철-흑연계 상태도는 주로 주철에서 고려된다.

 

 

 

탄소강의 조직과 성질

탄소강의 표준 조직 : 강을 단련하여 불림 (normalizing)처리, 즉 표준화 처리한 것을 말한다.

① ferrite : α철에 최대 0.025% 까지 탄소가 고용된 고용체이며, α고용체라 고도 한다. 극히 연하고 연성이 크나 인장강도는 작고 상온에서 강자성체이 다. 파면은 백색을 띠며 순철에 가까운 조직이다. ② peaelite : 탄소 0.85%의 γ고용체가 723℃에서 분열하여 생긴 ferrite 와 cementite의 공석정으로 ferrite와 cementite가 layer상으로 나타 나는 강인한 조직이다. ③ cementite : 8.68%의 탄소를 함유한 탄화철로 경도와 메짐성이 크며 백색 이다. 상온에서 강자성체이며 담금질을 해도 경화되지 않고 화학식은 Fe3C이다. ④ austenite : 실온에서는 존재하기 힘듬. γ고용체를 뜻함.

 

1. 탄소강의 성질

① 물리적 성질과 화학적 성질 : 강은 순철에 가까운 ferrite와 cementite가 혼합된 것으로 비중, 열팽창계수, 열전도율은 탄소량의 증가에 따라 감소하나 비열, 전기 저항, 항자력은 증가한다. 또한 내식성은 탄소량이 증가할수록 감소하고 소량의 Cu가 첨가되면 내식성은 급증한다.

② 기계적 성질 : 상온에서의 기계적 성질은 아공석강에서는 탄소함유량에 비례하여 거의 직선적으로 변하여 인장강도, 경도, 항복점등은 탄소량의 증가에 따라 증가하고, 공석강에서는 인장강도가 최대로 되며, 연신율 및 단면 수축율은 탄소량과 더불어 감소한다. 또한 과공석강에서는 cementite가 망상으로 나타나므로 인장강도는 탄소가 증가하여도 감소되나 경도는 증가한다.

③ 온도에 따른 기계적 성질 : 동일 성분의 탄소강이라도 온도에 따라 그 기계적 성질은 매우 달라지는데, 탄소가 0.25%인 강을 예로 들면 0 - 500℃ 사이에서 일어나는 성질변화는 탄성계수, 탄성한계, 항복점 등은 온도의 상승에 따라 감소하고, 인장강도는 200 - 300℃ 까지는 상승하여 최대가 되며, 연신율과 단면 수축율은 온도상승에 따라 감소하여 인장강도가 최대가 되는 점에서 최소값을 나타내고 다시 커진다. 충격값은 200 - 300℃에서 가장 적다.

 

2. 탄소강은 온도에 따라 메짐성 (brittleness)이 나타난다.

① 청열메짐성 : 강은 200 - 300℃에서는 강도는 크지만, 연신율은 대단히 작아 서 결국 메짐성을 나타낸다. 이 때의 강은 청색의 산화 피막을 형성하는데, 이 를 청열 메짐성이라한다.

② 적열메짐성 : 황 (S)이 많은 강은 고온에 있어서 여린 성질을 나타내는데 이를 적열 메짐성이라한다.

③ 상온메짐성 : 인 (P)은 강의 결정 입자를 조대화시켜 강을 여리게 만들며, 특히 상온 E또는 그 이하의 저온에 있어서는 특히 현저해 진다.

④ 고온메짐성 : 강은 구리 (Cu)의 함유량이 0.2% 이상이 되면 고온에 있어서 현 저히 여리게 된다.

⑤ 냉간메짐성 : 강은 일반적으로 충격값은 100℃ 부근에서 최대이며, 상온 이하 에 있어서는 현저히 여리게 된다.

 

3. 탄소강 중에 존재하는 탄소 이외의 원소가 미치는 영향

① Si: 강의 경도 탄성 한계, 인장 강도를 증가시키며, 연신율 및 충격값은 감소시킨다. 결정입자의 크기를 증대시켜 가단성, 전성을 감소시킨다.

② Mn: 황과 화합하여 MnS로 되어 황의 해를 제거하며, 고온 가공을 용이하게 한다. 강도, 경도, 인성을 증가시키며, 고온에 있어서는 결정입자의 성장을 방해한다. 소성을 증가시키고 주조성을 좋게한다. 담금질 효과를 크게하며 탈산제로도 사용된다.

③ P: 경도와 강도를 증가시키고, 가공시 균열을 일으키며, 상온 메짐성의 원인이 된다. 기포가 없는 주물을 만들 수 있고, 절삭성이 좋아진다.

④ S: 적열상태에서는 메짐성이 커지며, 인장 강도, 연신율, 충격값을 감소시킨다. 강의 용접성을 나쁘게하며, 강의 유동성을 해치고 기포를 발생시킨다. 망간과 화합하여 절삭성이 좋아진다.

⑤ Cu : 인장 강도, 탄성한도를 증가시키고 내식성을 증가시킨다. 압연시 균열의 원인이 된다.

⑥ O₂, H₂, N₂ : 산소는 적열메짐성의 원인이 되며, 질소는 경도와 강도를 증가시키고, 수소는 flake나 hair crack의 원인이 된다.

 

4. 온도에 따른 탄소강의 여러 가지 취성

① 청열취성 : 강은 온도가 높아지면 전연성이 커지나, 200～300℃에서는 강도는 크지만, 연신율은 대단히 작아져서 결국 메짐성을 증가한다. 이 때의 강은 청색의 산화피막을 형성하는데, 이것을 청열 취성(메짐성)이라고 한다.

② 적열 취성 : 강이 900℃ 이상에서 황이나 산소가 철과 화합하여 산화철이나 황화철을 만든다. 황(S)이 많은 강은 고온에 있어서 여린 성질을 나타내는데 이것을 적열 취성이라고 한다.

③ 상온취성 : 인(P)은 강의 결정 입자를 조대화시켜서 강을 여리게 만들며, 특히 상온 또는 그 이하의 저온에 있어서는 특별히 현저해 진다. 인(P)은 상온 메짐성 또는 냉간 메짐성의 원인이 된다.

④ 고온취성 : 강은 구리(Cu)의 함유량이 0.2% 이상(일반적으로 Cu 1.0% 이하)으로 되면 고온에 있어서 현저히 여리게 되며, 결국 고온 메짐성을 일으킨다.

⑤ 냉간(저온) 취성 : 강은 일반적으로 충격값은 100℃ 부근에서 최대이며, 상온 이하에 있어서는 현저히 여리게 된다. 이것을 냉간 메짐성이라고 한다.

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실험 방법

1. 시편 채취

1) 현미경의 스테이지에 놓여질 정도의 크기로 절단

 

2) 마운팅 컵에 금속 조직시험을 하고자 하는 시편을 놓는다.

 

3) 레진 : 하드너 = 10 : 3 의 비율로 섞어 발열이 시작되면 마운팅 컵에 붇는다.

 

4) 하루 정도 서늘하고 햇빛이 들지 않는 곳에서 응고 시킨다.

 

2. 시편의 연마

1) 연마지의 분말의 입도 크기에 따라 번호가 붙어 있으며, 번호가 클수록 분말은 미세

 

2) 폴리셔에 입자가 큰 연마지로 한 방향으로 연마한다.

 

3) 다음 번호의 연마지로 연마할 때는 전번호의 연마방향과 수직으로 연마하여 앞의 기스가 다 지워질 때까지 연마한다. (이때 주의할 점은 시편을 깨끗이 청소하여 앞 번호에서의 분말이 묻어오지 않도록 하는 것)

 

4) 마지막으로 연마포를 붙인 연마판을 회전시키고, 연마제의 미분을 물에 분산시킨 것을 연마포에 뿌려가며 연마한다. (시편에 힘을 가해서는 안되며, 될수 있는 한 시편의 무게만으로 연마한다.)

 

5) 200-800-1200-2000-융의 순서로 한다.

 

3. 시편의 부식

1) 검경면의 굴곡을 만들 필요가 있어, 이를 위해 적당한 부식을 한다.

 

2) 1-5%의 질산용액에 부식시켜 시편의 표면의 굴곡을 만들어 관찰하기 용이하게 한다.

 

3) 중탄소강은 2초동안, 저탄소강은 5초동안 에칭용액에 담근다.

 

 

 

[재료기초실험]탄소함량에 따른 미세조직, 경도, 인장강도

 

 

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