저탄소강에서 혼합 모드에 의한 페라이트 상의 성장 모사

Abstract

저탄소강에서의 페라이트 성장은 고온에서는 확산 변태에 의해, 저온에서는 계면 변태에 의해 진행되는 것으로 알려져 있다. 다각형의 페라이트 상의 형성은 확산 변태 모델로 주로 설명되는데, 주로 오스테나이트/페라이트 계면에서의 국부 평형은 언제나 만족하며, 성장 속도는 오스테나이트 상에서의 탄소의 확산에 의해 속도가 제어된다는 모델이다. 그러나 실제 성장 속도와 차이가 발생되는 것이 보고되어 계면의 효과가 반영된 평형을 사용한 모델이 제시되었다. 계면의 효과란 계면에서 구동력 발산에 의한 국부 평형에서의 벗어남 효과를 의미하며, 이는 (1) 곡률 반경 효과, (2) 계면 이동속도 효과, (3) 합금 원소 등의 계면 편석에 의한 용질 끌림(solute drag) 효과 등이 있다. 이러한 효과를 반영한 모델들을 혼합 모드 모델이라 한다. 혼합 모드 모델에서는 계면의 탄소 농도가 지속적으로 증가하고, 그에 따라 매 순간 계면에 작용하는 힘이 감소한다. 실제로는 계면의 이동 속도와 탄소의 확산 속도 모두 유한하므로 혼합 모드 모델이 기존 모델에 비해 더 정밀한 모사가 가능한 것으로 평가되었다. 본 연구에서는 이 혼합 모드 모델을 유한차분법을 이용하여 페라이트 성장을 모사하여 모델을 검증하고자 하였다. 우선 Fe-0.2wt%C, 1025K의 탄소강에서 페라이트 성장을 모사하여 시간에 따른 탄소의 분포와 계면 속도의 변화를 파악하였다. 시간이 지나며 페라이트가 성장하여 최종 분율까지 얻을 수 있었고, 계면에서의 탄소 농도는 증가하여 계면의 이동 속도가 최종 분율에서 최소임을 확인하였다. 또한 모델이 온도와 탄소 농도가 성장에 미치는 영향을 잘 반영할 수 있는지 확인하였다. 온도는 875K, 925K, 975K로 다르게 하여 모사를 진행하였다. 온도가 높을수록 계면 속도가 빠르고 성장 종료도 빠르게 도달하는 결과를 얻었고 이는 계면의 이동도와 탄소 확산 계수의 온도 의존성을 고려했을 때 타당한 결과이다. 초기 탄소 농도는 0.15wt%, 0.2wt%, 0.25wt%로 다르게 하여 모사를 진행하였다. 초기 탄소 농도가 낮을수록 계면 속도가 빠르고 성장 종료에 빠르게 도달하는 결과를 얻었다. 이론적으로 페라이트는 저탄소 영역에서 안정하므로 이 결과는 타당하다. 반면 탄소 확산 계수는 탄소 농도가 높을 때 높지만 전체 반응에는 크게 영향을 미치지 않는 것으로 확인하였다.