연속 냉각 변태도
등온 열처리는 공석 온도 이상의 높은 온도에서 고온의 열처리 온도로 급속 냉각되고 유지되어야 하기 때문에, 실제로 사용하기에는 어려움이 있다. 강에서 대부분의 열처리는 상온까지 연속적인 냉각을 한다. 등온 변태도는 일정 온도하에서 유지되는 경우에만 유용하므로, 온도가 연속적으로 변화하는 경우에는 수정되어야만 한다. 연속 냉각의 경우 반응 시작과 완료 시간은 늦어지게 된다.
이렇게 시작과 완료 반응 곡선이 수정된 곡선을 연속 냉각 변태도(continuous cooling transformation diagram)이라고 한다. 냉각 환경에 따라 변하는 온도 변화 속도는 냉각 환경을 변화 시킴으로써 어느 종도의 조절이 가능하다. 변태는 냉각 환경에서 적당히 빠른 냉각 곡선과 느린 냉각 곡선은 미세 구조적으로 각각 미세와 조대 펄라이트를 형성한다.
일반적으로 공석 조성의 합금 또는 순탄소강(plain carbon steel)이 상온까지 연속적으로 냉각될 때 베이나이트는 형성되지 않는다. 이것은 베이나이트 변태가 일어날 수 있는 시간에 모든 오스테나이트가 펄라이트로 변태 되기 때문이다. 오스테나이트-펄라이트 변태를 나타내는 구역이 코(nose)바로 밭에서 종결된다. 연속 냉각으로 인해 반응하지 않은 오스테나이트는 마텐자이트로 변태 된다.
합금강의 연속 냉각인 경우, 임계 급랭(ctirical quenching)속도가 존재한다. 이것은 마텐자이트 구조로 전부 만들 수 있는 급랭 최소 속도이다. 임계 냉각 속도는 연속 냉각 변태도에 포함될 때 펄라이트 변태를 시작하는 코에 거쳐 스쳐 지나간다. 임계 속도보다 클 경우에는 오직 마텐자이트만 형성된다. 참고적으로 펄라이트와 마텐자이트 모두가 형성되는 속도의 범위도 있을 것이며, 끝으로 느린 냉각 속도의 경우 완전히 펄라이트 구조가 생성된다.
탄소와 다른 합금 원소는 펄라이트(또는 초석상)와 베이나이트의 코를 더 긴 시간 동안에 이동시키고, 따라서 임계 냉각 속도를 감소시킨다. 사실 합금강(alloying steel)의 원소 첨가는 이와 같이 마텐자이트의 형성을 촉진시켜 강 단면의 비교적 두꺼운 부위를 마텐자이트로 만들기 위해 이루어진다.
형상 기억합금
실질적인 현상을 보이는 새로운 재료로는 형상기억 합금(SMA: shape-memory-alloys)이 있다. 이러한 재료들 중의 하나는 변형된 후에 적절한 열처리를 하면, 변형되기 전의 크기와 모양으로 돌아온다. 즉, 재료가 예전의 크기/모양을 기억하고 있다. 일반적으로 변형은 대체로 낮은 온도에서 실시되만, 기억 형상은 가열 시에 나타난다. 상당한 변형(즉, 변형률) 량을 회복할 수 있는 재료로는 니켈-티탄 합금과 구리 합금이 있다.
SMA는 동소체로서, 두 개의 결정 구조를 가지며, 형상 기억 효과는 이들 사이의 상변태를 수반한다. 하나의 상(오스테나이트상)은 고온에서 BCC구조를 갖고 있다. 냉각하면 오스테나이트는 자연적으로 마텐자이트로 상이 변하는데, 이 현상은 철-탄소 계의 마텐자이트 변태와 유사하다.
즉, 확산 없이 대규모 원자들이 규칙적으로 움직이며 매우 빠르게 일어난다. 변태의 정도는 온도에 따라 변한다. 또한 이 마텐자이트는 극심한 쌍정이 수반된다. 외부 응력이 작용하면, 마텐자이트 변형은 쌍정 경계의 이동으로 일어난다. 더욱이, 응력을 제거해도 이 온도에서는 변형된 형상이 그대로 유지되지만, 초기 온도로 가열하면 재료는 원래의 크기와 형상으로 되돌아간다.(즉, 기억하고 있다.) 원래 고온 오스테나이트로 상변태가 일어난다. SMA의 변형은 반영구적이지만, 정확하게 소성도 탄성도 아니다. 변형된 재료를 열처리하면 변형이 비영구적이 되므로, 차라리 '열탄성'에 가깝다. 열탄성 재료의 회복 가능한 최대 변형량은 약 8% 정도이다.
이와 같은 효과를 나타내는 합금의 적용 분야로는 안경테, 치열 교정기, 조립식 안테나, 온실 창문 개폐기, 샤워기의 녹방지 통제 밸브, 화재 스프링클러 밸브와 생의학 분야 등이 있다.
(출처) 시그마 프레스 재료과학과 공학 제7판
