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강철

철의 동질이상 현상은 다른 원소를 상당량 함유하고 있는 강철에서도 나타난다.

순철은 공학재료로 사용하기에는 너무 무르다. 철의 강도를 높여 강철로 전환시키는 주된 방법은 소량의 탄소를 첨가하여 금속의 미세구조를 변환시키는 것이다. 강철 내에 있는 철(페라이트)은 용해상태인 미량의 탄소를 함유한 철로 구성되어 있다. 강철 내에 다른 합금원소를 포함하는 경우도 있다. 강철 내의 탄화철을 가리키는 시멘타이트는 강철 내에 탄소가 나타나는 형(形)으로 탄소 6.67％와 철 93.33％로 구성되어 있다.

이것의 성질은 매우 단단하고 부서지기 쉽다는 것 외에는 알려진 것이 거의 없다. 오스테나이트는 강철의 고온상(高溫相)이며, 강철을 790℃ 이상으로 가열할 경우 형성된다. 이것은 면심입방구조인 감마철 내에 탄소가 고용체 형태로 존재하는 균질한 상(相)이다. 약 0.08％의 탄소를 가진 강철을 냉각할 경우, 페라이트와 시멘타이트는 동시에 침전되어 펄라이트라고 알려진 특징적 엽상구조(葉狀構造)를 형성한다. 펄라이트는 순수한 철보다 약 3배 더 단단하다.

철 융제(融濟)의 탄소함량이 증가함에 따라 고화(固化)온도는 떨어진다.

예를 들면 0.77％의 탄소를 함유하는 용융(熔融)된 강철은 약 1,475℃에서 결정화되기 시작하여 약 1,400℃에서 완전히 고체가 된다. 이 온도 이하부터 철 결정은 모두 오스테나이트, 즉 면심입방구조로 존재하며, 모든 탄소는 고용체 상태로 존재하게 된다. 냉각이 더 진행됨에 따라 약 727℃에서 오스테나이트 결정이 펄라이트로 천이(遷移)하는 급격한 변화가 일어난다. 약 0.25％ 정도의 낮은 탄소함량을 갖는 강철을 냉각할 경우 펄라이트와 페라이트가 거의 반반인 미세구조가 형성된다.

이런 강철의 강도는 펄라이트의 약 절반 수준이다. 탄소함량이 1.05％인 강철은 펄라이트와 시멘타이트의 미세구조를 가지며, 펄라이트보다 더 단단하다.

강철의 역학적 성질을 바꾸는 또다른 방식은 열처리에 의해 이루어진다. 강철을 매우 빨리 냉각시킬 경우, 탄화물 형성이 완전히 억제되어 새로운 미세구조인 마르텐사이트가 형성된다. 이것은 강철 중에서 가장 단단하고 깨어지기 쉬운 형(形)이다.

마르텐사이트 강철의 담금질(tempering : 온도를 어느 점까지 상승시켜 일정 시간 방치하는 것)은 경도와 이쇄성(易碎性)을 감소시켜 단단하고 강한 강철을 만든다. 이런 '급냉(急冷)담금질' 처리는 강철의 성질을 조절하는 매우 중요한 방법이다.

강철의 성질을 바꾸는 다른 방법은 단순한 탄소강(炭素鋼)에서 얻을 수 없는 특성을 갖도록 합금원소를 첨가하는 것이다. 합금강(合金鋼)에 사용되는 원소는 약 20가지이며, 이 원소 각각은 미세구조의 변화를 일으키는 온도·유지시간·냉각속도에 있어 서로 다른 영향을 미친다.

이렇게 첨가된 원소는 천이점(遷移點)을 변경시키며 탄화물 같은 금속간화합물(金屬間化合物)을 형성하는 다른 원소와 특성을 달리한다. 합금효과의 한 예는 고강도저합금(高强度低合金 : HSLA) 강철의 제조이다.

강화제로서 탄소만을 사용할 경우 좋은 용접성(鎔接性)을 가진 강한 강철을 만드는 것이 불가능하다. 왜냐하면 탄소는 용접 부위에 깨어지기 쉬운 부분을 형성하기 때문이다. 그러나 탄소의 함량을 낮게 하고 규소·망가니즈·몰리브데넘·나이오븀 또는 타이타늄 같은 강화원소(强化元素)를 약간 첨가할 경우 금속이 강화된다.

이런 원소들은 미세한 입자로 된 강한 강철을 만드는 효과를 낸다.

합금원소들은 철 격자를 통해 탄소가 확산되는 것을 늦추어 동질이상 천이를 지연시키기 때문에 열처리에 강한 영향을 끼친다. 예를 들면, 정상적으로는 급냉에 의해 형성되는 아주 단단한 마르텐사이트가 냉각속도가 느린 경우에도 형성될 수 있다는 것이다. 이것은 내부응력(內部應力)을 작게 하고, 가장 중요한 점으로 제품(workpiece)의 깊은 곳까지 단단한 부분을 형성시키기 때문이다.

망가니즈·몰리브데넘·크로뮴 같은 원소를 첨가할 경우 경화성을 증진시킬 수 있다. 이런 합금은 더 높은 온도에서 담금질이 가능하므로 같은 경도와 강도를 가지면서 더 우세한 연성(延性)을 갖는다.