베이나이트

Bainite
15일 동안 200 °C에서 200 °C에서 변형된 Fe–0.98C–1.46Si–1.89Mn–0.26Mo–1.26Cr–0.09V의 합성강 내 베이나이트
스틸스
FagerstaRAÄ2.jpg
단계
마이크로 구조체
반
기타철 기반 재료

베이나이트는 (합금 함량에 따라) 125~550°C의 온도에서 강철로 형성되는 플레이트 형태의 미세구조물이다.[1] E. S. Davenport와 Edgar Bain이 처음 설명한 이 제품은 오스테나이트(철의 얼굴 중심 입방 결정 구조)가 더 이상 페라이트, 시멘타이트 또는 페라이트 및 시멘타이트에 대해 열역학적으로 안정적이지 않은 온도를 지나 냉각될 때 형성될 수 있는 제품 중 하나이다.[2] 데이븐포트와 베인은 원래 이 미세구조를 강화 마텐사이트와 외관이 유사하다고 묘사했다.

미세한 비-라미네이트 구조인 베이나이트는 일반적으로 시멘트이트와 탈구가 많은 페라이트로 구성된다. 베이나이트에 존재하는 페라이트 내의 탈구 밀도와 베이나이트 혈소판의 미세한 크기로 인해 이 페라이트는 보통 때보다 더 단단하게 된다.[3][4]

오스테나이트에서 바이나이트로 변환하기 위한 온도 범위는 진주석과 마텐사이트의 온도 범위 사이에 있다. 사실, 베이나이트-시작 온도에 근본적인 하한은 없다.[1][5] 연속 냉각 중에 형성되었을 때, 베이나이트를 형성하는 냉각 속도는 진주석을 형성하는 데 필요한 것보다 더 빠르지만, 마텐사이트(동일한 구성의 강철에서)를 형성하는 데 필요한 것보다 덜 빠르다. 대부분의 합금 원소들은 베이나이트의 형성을 지연시키겠지만, 탄소가 그렇게 하는데 가장 효과적이다.[6] 알루미늄이나 코발트는 오스테나이트의 분해를 가속화하고 변환 온도를 높일 수 있다는 점에서 예외다.[7]

처음에는 마텐사이트와 베인사이트의 미세구조는 상당히 유사해 보이는데, 얇은 판으로 구성되어 있는데, 이 판들은 낮은 알로이 강철로 뭉쳐져 있다. 이것은 두 개의 마이크로 구조가 그들의 변환 메커니즘의 많은 측면을 공유한 결과물이다. 그러나, 형태론적 차이가 존재하기 때문에 보기 위해 전송 전자현미경이 필요하다. 가벼운 현미경 아래, 베이나이트의 미세 구조는 바이나이트가 더 많은 하부 구조를 가지고 있기 때문에 정제되지 않은 마텐사이트보다 더 어둡게 보인다.[8]

베이나이트의 경도는 같은 강철 경도에서 진주석과 비염색 마텐사이트 사이에 있을 수 있다. 등온이나 연속 냉각 시 모두 생산이 가능하다는 점이 큰 장점인데, 이는 합금 원소를 과도하게 추가하지 않고도 대형 부품의 생산이 용이하기 때문이다. 마텐자이트강과 달리 베이나이트를 기반으로 한 합금은 강도와 견고성을 최적화하기 위해 변형 후 추가 열처리가 필요 없는 경우가 많다.[9]

역사

1920년대에 데이븐포트와 베인은 그들이 임시로 마텐사이트-트로스타이트라고 부르는 새로운 강철 미세구조를 발견했는데, 그것은 이미 알려진 저온 마텐사이트 단계와 당시 트로오스타이트(현재의 미세석회석) 사이의 중간 구조였기 때문이다.[6] 이 미세 구조물은 이후 미국 철강회사의 베인의 동료들에 의해 베인사이트로 명명되었다.[10] 비록 그 이름이 1947년까지만 해도 이름으로 베인사이트를 언급하지 않은 책들로 과학계에 의해 받아들여지기까지는 다소 시간이 걸렸다.[6] 베인과 데이븐포트는 또한 높은 온도에서 형성된 '상위 범위' 베이나이트와 마텐사이트 시작 온도 근처에 형성된 '하위 범위' 베이나이트(이 형태들은 현재 각각 상위 및 하위-베이나이트로 알려져 있다)라는 두 가지 뚜렷한 형태의 존재에 주목했다. 초기 용어는 일부 합금에서 진주석 반응의 하위 범위와 베이나이트의 상위 범위가 프로이텍토이드 페라이트(proeutectoid perite)의 추가 가능성과 겹쳐 더욱 혼동되었다.[6]

포메이션

강철 합금의 연속 냉각 변환(cct) 다이어그램 그림

약 900 °C 이상의 일반적인 저탄소 강철은 입방체 밀폐 결정 구조를 가진 철의 고온 단계인 오스테나이트로 전적으로 구성된다.[11] 냉각 시 정확한 화학적 조성에 따라 위상, 페라이트, 시멘타이트의 혼합물로 변하는 경향이 있다. 에우텍토이드 성분의 강철은 평형 조건에서 펄라이트(페라이트 및 시멘타이트(FeC3)의 인터리브 혼합물)로 변환된다. 위상 다이어그램에 표시된 열역학적 고려사항 외에도 강철의 위상 변환은 화학적 운동학의 영향을 많이 받는다. 일반적인 가공 조건에서 철 원자의 확산이 약 600 °C 이하로 어려워지기 때문이다. 결과적으로, 원자 이동성이 제한될 때 복잡한 일련의 미세구조물이 발생한다. 이는 냉각 속도에 의해 강한 영향을 받는 강철 마이크로 구조물의 복잡성으로 이어진다. 이는 샘플이 특정 속도로 냉각되었을 때 위상을 형성하는 데 필요한 시간을 나타내는 연속 냉각 변환(CCT) 다이어그램을 통해 설명할 수 있으며, 따라서 주어진 열 사이클에서 예상 위상 분율을 추론할 수 있는 시간 온도 공간의 영역을 보여준다.

강철을 느리게 냉각시키거나 상승된 온도에서 역변환할 경우 얻어진 미세 구조물은 평형에 가깝고,[12] 예를 들어 할당형 페라이트, 시멘타이트 및 펄라이트가 포함될 것이다. 그러나 오스테나이트에서 진주이트로의 변환은 철 원자와 탄소 원자의 대규모 이동을 필요로 하는 시간 의존적인 재건 반응이다. 중간 온도에서도 간 탄소가 쉽게 확산되지만, 600 °C 미만의 온도에서 철의 자가투여는 매우 느리게 된다. 모든 실용적인 목적을 위해 철이 멈출 때까지. 그 결과 급속 냉각된 강철은 반응이 불완전하고 남은 오스테나이트가 열역학적으로 불안정함에도 불구하고 펄라이트가 더 이상 형성될 수 없는 온도에 도달할 수 있다.[13]

높은 온도 변형을 피하기 위해 충분히 빠르게 냉각된 오스테나이트는 오스테나이트의 얼굴 중심 결정 구조가 왜곡된 체 중심 4각형 또는 체 중심 입방 구조로 변형됨으로써 철이나 탄소의 확산 없이 마텐사이트를 형성할 수 있다. 이 불균형 단계는 저온에서만 형성될 수 있으며, 여기서 반작용의 추진력은 변환에 의해 부과되는 상당한 격자 부담을 극복하기에 충분하다. 변환은 기본적으로 임계 마텐사이트 시작 온도 이하의 냉각 정도에 따라 위상 분율과 시간적으로 독립적이다.[14] 또한 대체 원자나 중간 원자의 확산 없이 발생하므로 마텐사이트는 모체 오스테나이트의 구성을 계승한다.

베이나이트는 철 자가투여는 제한되지만 마텐사이트를 형성하기에는 추진력이 부족한 온도 범위에서 이 두 공정 사이의 영역을 차지하고 있다. 마텐사이트와 마찬가지로 베이나이트는 확산 없이 자라지만, 탄소의 일부는 남은 오스테나이트로 갈라지거나 시멘트처럼 침전된다. 흔히 마텐사이트 시작 온도에 가까운 온도에서 형성되는 이른바 하베이나이트와 더 높은 온도에서 형성되는 상베이나이트 사이에 더 많은 구분이 이루어진다. 이러한 구별은 베이나이트가 형성되는 온도에서 탄소의 확산 속도에서 발생한다. 온도가 높으면 탄소가 새로 형성된 페라이트로부터 빠르게 확산되어 페리틱 플레이트 사이에 탄소가 농축된 잔여 오스테나이트에 탄화물이 형성되어 탄화물이 없는 상태가 된다. 낮은 온도에서 탄소는 더 느리게 확산될 것이고 그것이 베이나이트 페라이트를 떠나기 전에 침전될 수 있다. 베이나이트의 변혁 메커니즘의 구체적 내용에 대해 약간의 논란이 있다; 두 이론은 아래에 제시되어 있다.

불연속 이론

베이나이트의 특정 형성 메커니즘에 관한 이론 중 하나는 마텐사이트에서와 같이 전단 변환에 의해 발생한다는 것이다. 결정구조 변화는 확산보다는 변형에 의해 이루어진다. 베이나이트와 관련된 형상 변화는 큰 전단 성분을 가진 불변성 평면 변형률이다. 이러한 종류의 변형은 (확산과 관련된 혼란스러운 전달이 아니라) 원자의 조절된 움직임을 의미하며,[15] 예를 들어, 마텐사이트, 베인사이트, 위드만스테인 페라이트 등의 강철의 모든 불연속 변환의 전형이다. 그 변환의 접시 모양 product[16] 확산으로 이어진다 예를 들어 탄소의 과포화 중간 단계 페라이트, 또는 탄소 화물의 침전하는 칸막이를 변형 에너지 같은 안도감에 관련된 austenite의diffusionless 변화를 위해 후속, 이 marte의 변조와 유사하다.nsite.

이 이론에 의해 정확하게 예측되는 베이나이트의 특징은 다음과 같다.

  • 판 형태,[17] 변형에 수반되는 형상 변형으로 인한 변형 에너지 최소화의 결과.
  • 과잉 탄소가 균일한 결함이 없는 베이나이트 지역 내에 유지된다는 사실.[18]
  • 베이나이트 페라이트 단위의 세포가 입방체가 아닌 4각형이 될 수 있다는 사실.[19][20][21][22]
  • 오스테나이트가 처음 탄력적으로 변형될 때 베이나이트 변환이 극적으로 지연될 수 있다는 사실은, 이반변환 특유의 기계적 안정화라고 알려진 현상이다.[23]
  • 변위는 베이나이트가 자랄 때 일어난다. 변형은 마텐사이트처럼 변형과 결정구조 변화가 복합적으로 작용한 것이다.[6]

확산 이론

베이나이트의 변형 과정에 대한 확산 이론은 베이나이트 페라이트 판이 더 높은 온도에서 위드만스테텐 페라이트(Widmanstetten perite)와 유사한 메커니즘으로 성장한다는 가정에 근거한다. 따라서 그것의 성장률은 탄소가 성장하는 페라이트로부터 오스테나이트로 얼마나 빠르게 확산될 수 있는지에 달려 있다. 일반적인 오해는 이 메커니즘이 일관성 있는 인터페이스와 표면 완화 가능성을 배제한다는 것이다. 사실 일부 사람들은 위드만스테텐 페라이트 형성이 탄소 확산에 의해 제어되며 유사한 표면 경감을 보인다는 것을 인정한다.[24]

형태학

일반적으로 베인사이트는 보존된 오스테나이트, 마텐사이트 또는 시멘타이트로 분리된 페라이트 플레이트(하위 유니트)의 골재, 일명 셰이브(sub-units)로 나타난다.[25] 서브유닛은 2차원 섹션에서 볼 때 별개로 보이지만 실제로는 3차원 단위로 상호 연결되어 있으며 보통 렌즈판이나 나체 형태학을 채택한다. 그 피복은 핵 부위와 관련된 더 두꺼운 끝을 가진 쐐기 모양의 것이다.

페리틱 플레이트의 두께는 변환 온도에 따라 증가하는 것으로 확인된다.[26] 신경망 모델들은 이것이 온도의 직접적인 영향이 아니라 반응에 대한 추진력의 온도 의존성과 판을 둘러싸고 있는 오스테나이트의 강도에 의한 결과라는 것을 보여주었다.[26] 높은 온도에서, 그리고 따라서 낮은 저냉각에서, 열역학적 추진력의 감소는 핵분열량의 감소를 초래하여, 개별 플레이트가 서로 물리적으로 충돌하기 전에 더 크게 성장할 수 있게 한다. 또한, 접시의 성장은 주변 오스테나이트의 플라스틱 흐름에 의해 수용되어야 하는데, 오스테나이트가 강하고 접시의 성장에 저항한다면 어렵다.

상부 베이나이트

"상부 베이나이트"는 약 400~550°C의 층을 형성한다. 이 피복에는 대략 서로 평행하고 주변 오스테나이트와 쿠르드주모프-사흐스 관계를 나타내는 여러 개의 페라이트 라인이 들어 있지만, 이러한 관계는 변환 온도가 낮아질수록 저하된다. 이들 피복의 페라이트는 0.03% 이하의 탄소 농도를 가지며, 이로 인해 라트 주변에 탄소가 풍부한 오스테나이트가 발생한다.[27]

라트 사이에 형성되는 시멘트류의 양은 강철의 탄소 함량에 기초한다. 저탄소 강철의 경우 전형적으로 불연속적인 "스트링거" 또는 시멘타이트의 작은 입자가 레이트 사이에 존재할 것이다. 탄소 함량이 높은 강철의 경우 스트링거는 인접한 라스의 길이를 따라 연속적으로 된다.[27]

하부 베이나이트

하부 베이나이트는 250~400℃ 사이에서 형성되며 상부 베이나이트보다 플레이트 형태의 형태를 취한다. 하층 베이나이트에는 라트 사이의 낮은 각도의 경계가 거의 없다. 하부 베이나이트에서도 변형온도가 감소함에 따라 페라이트 내 습관성 평면이 <111>에서 <110>로 바뀐다.[27] 하부 베인라이트에서는 페라이트 및 오스테나이트의 접점에 있는 시멘트핵을 사용한다.

불완전한 변환

현재의 맥락에서 "불완전한 변형"은 카바이드 침전이 없을 때, 오스테나이트가 평형이나 편평형 화학적 구성에 도달하기 훨씬 전에 베이나이트 반응이 멈춘다는 사실을 말한다. 그것은 동일한 구성의 오스테나이트와 페라이트 자유 에너지가 동일해지는 지점에서 멈춘다. 즉 참여 단계의 화학적 구성의 변화가 없는 변환은 열역학적으로 불가능하다.

베이나이트에 대한 초기 연구는 주어진 온도에서 오직 특정 부피의 오스테나이트만이 베이나이트로 변형되고 나머지는 오랜 지연 후에 펄나이트로 분해된다는 것을 발견했다. 오스테나이트가 더 안정적인 고온에서 펄나이트로의 완전한 오스테나이트 변형을 달성할 수 있었음에도 불구하고 이 경우였다. 온도가 낮아질수록 베이나이트의 분율은 증가한다. 이는 궁극적으로 베이나이트 페라이트가 형성되었을 때 과포화 탄소가 주변 오스테나이트로 배출되어 열역학적으로 더 이상의 변환에 대비하여 안정화된다는 사실을 설명하였다.[28]

마텐사이트와 베인사이트의 차이

베인사이트는 본질적으로 변형 과정에서 성질을 내는 마텐사이트로 간주될 수 있다. 그것은 마텐사이트보다 높은 온도에서 형성되며, 심지어 후자조차도 자동감지할 수 있다.[29] 변환온도가 높기 때문에 오스테나이트 자체가 기계적으로 약하기 때문에 인접 오스테나이트의 소성변형으로 인한 형상변형이 완화된다. 그 결과 베이나이트의 성장판은 탈구 숲과 맞닥뜨리게 되는데, 탈구 숲은 판이 오스테나이트의 곡물 경계선에 닿기도 전에 결국 생장을 마감하게 된다. 따라서 베인라이트 판은 같은 강철에 있는 마텐사이트 판보다 작을 수 있다. 그런 다음 변환은 새 판의 연속적인 핵화를 포함하는 하위 장치 메커니즘에 의해 진행된다.[30]

적용들

베이나이트가 풍부한 강철 축
베이나이트가 풍부한 철제 롤

강철의 베이나이트 함량이 증가함에 따라, 베이나이트 함량의 경도, 항복 및 인장 강도는 50%까지 거의 일정하게 유지되었다가 ca.[3] 30%까지 증가한다. 따라서 미터 크기의 샤프트와 고베인이트 강철의 판은 롤스로이스 홀딩스와 타타 스틸에 의해 상업적으로 대량 생산되었다.[1]

참조

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외부 링크