[마르텐사이트] Martensite 철강의 조직과 특징, 베이나이트와의 차이점

마르텐사이트(Martensite) 란?

마르텐사이트(Martensite)는 강철의 조직 중에서 가장 단단한 조직으로, 탄소와 철 합금에서 담금질을 할 때 생기는 준안정한 상태입니다. 마르텐사이트는 독일 철강학자 A.마르텐스의 이름을 따서 명명되었습니다.

마르텐사이트는 강도와 경도가 높습니다. 이는 철 분자에 고용된 탄소 원자가 철 원자간의 슬립을 방해하기 때문입니다. 그렇기에 탄소 고용량이 높아질수록 경도 값이 증가합니다. 다만 탄소가 많이 고용된 마르텐자이트는 탄소 원자에 의해 내부응력이 크기 때문에 결함(크랙)이 잘 발생합니다.

마르텐사이트는 오스테나이트 철을 급속도로 퀜칭하면, 오스테나이트는 “마르텐사이트”라고 하는 매우 단단한 결정질 미세구조로 변형됩니다.

마르텐사이트 조직

마르텐사이트 조직은 강철의 조직 중에서 가장 단단한 조직입니다. 마르텐사이트는 철강재료의 열처리에서 얻어지는 래스상 또는 판상의 경질조직으로, 고강도강의 제조에 적극적으로 이용되는 조직입니다.

마르텐사이트는 탄소와 철 합금에서 담금질을 할 때 생기는 준안정한 상태입니다. 강도와 경도가 높은데 이는 철 분자에 고용된 탄소 원자가 철 원자간의 슬립을 방해하기 때문입니다.

마르텐사이트는 결정 구조가 FCC의 오스테나이트가 BCC의 페라이트로 변하는 격자 변태의 중간 상태에서 정지한 정방 격자입니다.

마르텐사이트는 탄소 함량에 따라 판, 라스, 플레이트 유형으로 구분할 수 있습니다. 탄소 함량이 0.60 ~ 1.00 중량 %인 마르텐 사이트는 라스와 플레이트 유형의 혼합물입니다.

마르텐사이트 특징

마르텐사이트(Martensite)는 탄소와 철 합금에서 담금질을 할 때 생기는 준안정한 상태입니다. 강도가 매우 높고 강철의 조직 중에서 가장 단단한 조직입니다.

마르텐사이트의 특징은 다음과 같습니다:

강도가 매우 높다
높은 인성
높은 마모 저항
열 및 시효 처리를 사용하여 경화 가능
적당한 내식성
열처리로 강도를 높일 수 있다
내식성이 떨어져 녹 발생이 있을 수 있다

마르텐사이트 변태가 시작되는 온도를 Ms점, 종료되는 온도를 Mf점이라고 하며, 이 온도는 오스테나이트의 화학조성에 따라서 달라집니다. 공석강에서는 약 230℃ 정도입니다.

마르텐사이트 오스테나이트

마르텐사이트는 강철의 조직 중에서 가장 단단한 조직으로, α철 내에 탄소가 과포화 상태로 고용된 조직을 말합니다. 오스테나이트는 고온에서 안정된 조직으로, 강철을 담금질하면 오스테나이트로부터 마르텐사이트로 변화합니다.

마르텐사이트는 독일 철강학자 A.마르텐스의 이름을 따서 명명되었습니다. 오스테나이트는 내식성이 좋지만, 경도와 강도는 마르텐사이트보다 낮습니다. 마르텐사이트는 -60℃ 수준의 극저온 재료이지만, 오스테나이트는 -196℃까지 견딜 수 있습니다.

마르텐사이트는 판 (또는 렌티큘러) 마르텐사이트와 라스와 플레이트 유형의 혼합물로 나뉩니다. 판 (또는 렌티큘러) 마르텐사이트는 약 0.60 wt. % 이상의 탄소를 함유하는 합금에서 발견됩니다. 탄소 함량이 0.60 ~ 1.00 중량 %인 마르텐 사이트는 라스와 플레이트 유형의 혼합물입니다.

마르텐사이트 스테인리스강

마르텐사이트 스테인리스강은 강도, 내식성, 인성으로 알려진 스테인리스강의 일종입니다. 다른 많은 유형의 스테인리스 강과 달리 마르텐사이트 강의 화학 구조는 열 및 노화 처리를 사용하여 경화 및 강화됩니다.

마르텐사이트 스테인리스강은 열처리로 강도를 높일 수 있는 게 특징입니다. 하지만 내식성을 떨어뜨려 녹 발생이 있을 수 있는 단점이 있습니다.

마르텐사이트계 스테인리스강은 C 함량에 따라 3가지로 크게 분류됩니다:

403 및 410의 저 C-Cr 계
420J1 또는 420J2의 중 C-Cr 계
440A, B, C 등의 고 C-Cr 계

마르텐사이트계 스테인리스강은 인장강도, 항복강도는 우수하지만 취성이 높아 인성 및 연성의 향상을 위해 Tempering 처리를 해주어야 합니다. Tempering 열처리 후 조직은 페라이트와 탄화물로 변태되는데 탄화물은 주변 모재의 Cr을 고갈시켜 내식성의 저하를 초래합니다.

마르텐사이트계 스테인리스강은 내마모성과 내식성이 요구되는 여러 산업분야에서 사용되고 있습니다. 그 중 C와 Cr의 양이 많은 440A 강은 공구, 게이지, 캠, 베어링 등에 사용됩니다.

마르텐사이트 베이나이트 차이

마르텐사이트와 베이나이트는 철강재료의 열처리에서 얻어지는 래스상 또는 판상의 경질조직입니다. 마르텐사이트는 오스테나이트의 담금질 처리에 의해, 베이나이트는 미변태 오스테나이트의 항온변태에 의해 얻어집니다.

마르텐사이트와 베이나이트는 모두 래스상으로 불리지만, 약간의 차이가 있습니다. 마르텐사이트는 탄소 원자들이 빠져나오지 못해 전체가 마르텐사이트라는 하나의 조직입니다. 마르텐사이트의 탄소 농도가 증가하면 변형 에너지가 커져 래스의 크기는 작아집니다. 베이나이트 래스는 저온에서 생성될수록 작아집니다.

마르텐사이트는 250℃ 이하에서, 베이나이트는 350℃~550℃, 250℃~350℃에서 형성됩니다.

마무리

오늘은 마르텐사이트 철강의 조직과 특징, 베이나이트와의 차이점을 알아보았습니다.

마르텐사이트는 단조로운 구조를 가지고 있습니다. 마르텐사이트 내부는 시멘타이트(cementite) 입자가 페라이트(ferrite) 매트릭스 속에 고르게 분산되어 있는 형태입니다. 이러한 구조적 특성으로 인해 마르텐사이트는 높은 강도와 인성을 동시에 가질 수 있습니다.

특징을 요약하지면 다음과 같습니다.

높은 강도를 가짐. 시멘타이트 입자의 분산 강화 효과로 인함.
높은 충격 저항성과 인성을 가짐. 페라이트 매트릭스의 영향임.
용접성과 변형성이 좋음. 오스테나이트 마르텐사이트강에 비해 우수함.
열처리에 의한 미세조직 변화가 적음. 시효현상이 작용하기 어려움.

[탄소강] Fe3C 상태도(Phase diagram)의 이해