3.2.1. 500 °C 어닐링 거동

극저온압연 또는 냉간압연한 마르텐사이트 강재에서는 어닐링 온도의 증가에 따라 시멘타이트 석출 및 구상화, 기지에서의 전위 재배열에 의한 회복 및 재결정 등 미세조직 변화가 진행된다. 또한 극저온압연한 베이나이트 강재의 경우, 어닐링 온도의 상승에 따라 시멘타이트의 구상화 및 성장과 기지에서의 회복 및 재결정이 진행된다. 그림 3에 500 °C에서 10분 동안 어닐링한 압연재의 미세조직 및 유동응력 곡선을 나타내었다. 극저온압연한 마르텐사이트를 500 °C에서 어닐링한 그림 3-(a)에서는 마르텐사이트 템퍼링 (tempering) 4단계에 해당하는 전형적인 미세조직 형태인 구형 시멘타이트 입자들이 관찰되었으며, 기지에서는 압연에서 형성된 밴드형태의 미세조직들이 어닐링 과정을 통하여 폭이나 길이의 큰 변화없이 저경각입계 (low angle boundary)를 형성하고 내부 전위밀도 감소가 이루어지는 회복과정이 진행되었음을 확인할 수 있었다. 그림 3-(a)에서 등축 결정립 (equi-axed grain)의 존재가 관찰되지 않은 것은 500 °C 어닐링에서 페라이트의 재결정보다는 회복기구가 작동하고 있음을 보여준다. 이에 따라 인장강도는 1030 MPa로 급격히 저하하였으나, 총연신율이 4.7%로 압연한 강재의 3.2%에 비하여 약간 증가하는 경향을 보였다(그림 3-(e)). 어닐링에 의한 급격한 강도 저하는 회복 중 전위의 재배열 과정에서 발생하는 전위밀도의 감소효과 및 압연상태에서 기지에 고용되어 존재하던 탄소원자들이 어닐링 중 시멘타이트로 석출하여, 고용강화 효과가 감소되었기 때문이다. 한편, 총연신율 변화가 작은 현상은 500 °C에서 어닐링시 밴드형태 미세조직의 폭의 변화가 작은 것에 기인한다고 판단된다.

그림 3-(b)에서와 같이 냉간압연한 마르텐사이트를 500 °C에서 어닐링한 경우, 밴드형태의 미세조직 계면과 내부에 시멘타이트 입자들이 존재하며, 그림 3-(a)에 비해 더 많은 시멘타이트 입자들이 관찰되므로 마르텐사이트에 고용되었던 탄소원자들의 대부분이 시멘타이트 입자들로 석출되었기 때문으로 판단할 수 있다. 극저온압연재의 경우와 같이 등축 결정립의 존재가 관찰되지 않는 것은 냉간압연 마르텐사이트를 500 °C에서 어닐링하면 재결정 발생없이 기지조직의 회복과정이 진행됨을 의미한다.

한편 극저온압연한 베이나이트 강재를 500 ℃에서 어닐링하는 경우 (그림 3-(c)), 압연시 형성되었던 밴드형태 전위조직의 길이가 감소하여 길이/폭의 비율이 감소하고, 내부의 전위밀도 감소를 포함한 미세조직 변화가 진행된다. 이러한 미세조직 변화는 다각화 (polygonization) 및 전위의 소멸 등과 같은 기지의 회복과정이 진행됨을 의미한다. 또한 연성을 향상시키는 효과가 있는 등축 결정립들이 관찰되었다. 이러한 미세조직의 변화에 따라 인장강도는 901 MPa로 저하하였고, 총연신율은 9.4%로 향상되었다.

냉간압연하고 이후 500 °C에서 어닐링한 베이나이트재는(그림 3-(d)), 미세조직이 구상화된 시멘타이트 입자들과 등축 결정립, 일부 연신된 형태의 아결정립들로 구성되어 극저온압연 후 어닐링한 베이나이트재와 유사하였으나 (그림 3-(c)), 대부분이 미세한 등축 결정립들로 관찰되어 500 °C 어닐링에 의해 회복과정보다는 재결정에 더 가까운 단계에 있음을 알 수 있었으며, 또한 이에 따라 862 MPa의 인장강도와 10.3%의 총연신율을 확보하였다.

3.2.2. 550 °C 어닐링 거동

극저온압연한 마르텐사이트 강재를 550 °C에서 10분간 어닐링한 경우 관찰된 미세조직은 구형 시멘타이트 입자의 성장, 전위밀도의 감소, 200 nm 크기의 등축 결정립의 생성을 포함한다 (그림 4-(a)와 (b)). 그림에서 관찰된 등축 결정립의 존재는 550 °C 어닐링시 페라이트 기지의 재결정이 작동하는 것을 의미한다. 또한 시멘타이트 분포는 계면과 내부에 균일하게 분포된 구형 시멘타이트 입자들과 (그림 4-(a)), 래스 계면에서 잔류 오스테나이트 분해에 의해 생성 및 성장한 타원형 시멘타이트 입자들로 (그림 4-(b)) 구성된다. 이들 시멘타이트 입자들이 재결정한 페라이트 결정립의 성장을 방해하여 등축 결정립의 크기를 200 nm 수준으로 억제하였다. 이러한 페라이트 등축 결정립의 생성과 조대한 구형 시멘타이트 입자 형성으로 인하여 550 °C 어닐링시 인장강도가 909 MPa 수준으로 저하하였다 (그림 5-(a)). 한편, 등축 결정립의 생성에 따른 강도 저하에도 불구하고, 총연신율이 5.9%로 크게 개선되지 않는 현상은 550 °C에서 생성된 등축 결정립이 소량이며 또한 결정립 크기가 500 °C 어닐링시 관찰되는 밴드형태의 결정립의 폭과 유사한 200 nm 수준을 유지하기 때문에, 550 °C 어닐링시 연성이 급격히 향상되지 않은 것으로 판단된다.

550 °C에서 어닐링한 냉간압연한 마르텐사이트는 연신된 형태의 아결정립들과 200 nm 수준의 등축 결정립들, 계면에 존재하는 구형 시멘타이트 입자들로 구성되어 있다 (그림 4-(c)와 (d)). 550 ℃에서 어닐링한 극저온압연 마르텐사이트를 비교하면 등축 결정립이 다소 적게 관찰되며 연신된 형태의 아결정립이 대부분을 구성하나, 아결정립 내부의 전위밀도가 낮게 관찰되므로, 극저온압연 및 냉간압연한 마르텐사이트 강재를 550 °C에서 어닐링시 회복이 완료되어가는 것을 알 수 있었다. Zhao 등 [²⁰]은 래스 마르텐사이트 나노구조에서는 400 °C에서 재결정이 일어나지만, 일반 철강에서 관찰되는 재결정온도는 500~550 °C의 범위에 있다고 보고했다. 그림 4-(c)에서 관찰된 등축 결정립의 존재는 Lan 등 [³]이 50% 압연하고 550 ℃에서 1시간 열처리한 0.15%C 저탄소강에서 관찰한 결과와도 일치하였다.

그림 4-(e)와 (f)는 550 °C에서의 어닐링한 극저온압연한 베이나이트로서 200~400 nm 크기의 등축 결정립과 연신된 형태의 아결정립이 혼합된 형태로 존재하며, 시멘타이트 입자들이 주로 계면에 분포함을 보여준다. 어닐링 온도가 증가함에 따라 아결정립 폭이 약간 증가했으나, 이에 따른 아결정립 장·단축비의 감소는 기계적성질에 크게 영향을 주지 못했다. 그러나 마르텐사이트에 비하여 등축 결정립의 크기가 큰 특징을 보였으며 아결정립 내의 전위밀도가 높지않아 회복이 활발히 진행되었음을 알 수 있다. 그림 5-(a)에서의 인장강도 838 MPa 및 총연신율 10.7% 수준으로 500 °C의 어닐링에 비해 약간의 인장강도 저하와 동등 수준의 연성을 보였다. 따라서 550 °C에서 어닐링한 미세조직을 500 °C에서 어닐링한 경우와 비교해보면, 내부의 급격한 전위밀도의 감소없이 아결정립의 폭이 약간 증가한 수준의 미세조직 변화로는 인장강도의 큰 변화는 기대하기 힘들다.

그림 4-(g)는 극저온가공한 FP 강재를 550 °C에서 어닐링한 미세조직으로서, 펄라이트 영역을 나타낸 그림 4-(h)에서 보듯이 시멘타이트가 라멜라 형상으로부터 끊어진 막대모양 또는 구형으로 변화하였으며 라멜라 시멘타이트의 점진적 파괴가 진행하여 시멘타이트의 구상화가 일부 진행되었음을 알 수 있었다. 또한 그림 4-(i)는 그림 4-(g)에서 B로 표기된 페라이트 영역으로 연신된 형태의 아결정립과 내부의 전위들이 관찰되어 페라이트의 회복과정이 진행 중임을 확인할 수 있었다. 550 °C에서 어닐링한 FP 강재의 인장강도는 732 MPa 수준으로 압연재에 비하여 강도저하가 크지 않았으며, 이는 550 °C 어닐링시 페라이트에서 회복 및 재결정이 진행되었으나 강도에 많은 기여를 하는 펄라이트 영역에서 라멜라 시멘타이트의 구상화가 충분히 진행되지 않아 연화효과가 작았기 때문으로 판단된다. 한편, 연성을 나타내는 총연신율은 압연재의 4.6%로부터 14.5%로 현저한 증가를 보였는데, 페라이트 영역에서의 회복 및 재결정등 연화현상에 기인한다고 판단된다.

3.2.3. 600 °C 어닐링 거동

극저온압연한 마르텐사이트 강재를 600 °C까지 어닐링 온도를 증가시키면 그림 6-(a)에서와 같이 조대한 구형 시멘타이트 입자들과 다양한 크기의 등축 결정립들이 관찰된다. 특히 400 nm 이상 크기의 등축 결정립은 600 °C 어닐링 과정에서 재결정뿐만 아니라 결정립 성장이 이루어진 것을 의미한다. 미세조직이 대부분 등축 결정립으로 구성된 효과로 인장강도는 720 MPa 수준을 보였으며, 총연신율은 등축 결정립의 성장으로 16.0%까지 현저하게 증가하였다 (그림 5-(b)).

한편 냉간압연한 마르텐사이트 강재를 600 °C에서 어닐링한 경우 (그림 6-(b)), 극저온압연재와 유사하게 조대한 시멘타이트 입자들과 페라이트 등축 결정립들이 미세조직을 구성하고 있으나, 극저온압연재에 비하여 등축 결정립들의 크기가 200 nm 이하 수준으로 미세하여 인장강도 748 MPa 및 총연신율 15.8% 수준을 보였다.

600 °C에서 어닐링한 극저온 베이나이트는, 조대한 시멘타이트 입자들과 재결정 및 결정립 성장이 이루어진 결과 그림 6-(a)와 (b)의 마르텐사이트 어닐링재보다 조대한 페라이트 결정립들로 구성되어 있으며 (그림 6-(c)), 720 MPa의 인장강도와 20.4%의 총연신율을 보였다. 그림 6-(c)에서 연신된 형태의 아결정립이 관찰되지 않았으며 대부분의 미세조직이 등축 결정립으로 구성되었는데, 이러한 미세조직 변화가 600 °C 어닐링시 발생한 급격한 연성의 향상에 기여한 것으로 판단된다.

극저온압연한 FP 강재의 어닐링 온도가 600 °C에 도달하면, 그림 2-(d)에서와 같이 페라이트 영역 대부분에서 재결정이 진행되었음을 알 수 있으며, 펄라이트 영역의 변화는 그림 6-(d)에서와 같이 시멘타이트 입자의 구상화가 550 °C 보다는 많이 진행되었으나, 600 °C 어닐링 조건에서 구상화가 완료되지 못했음을 보여준다. 특히 그림에서 C로 표기된 펄라이트와 페라이트 계면에 존재하는 조대한 시멘타이트 입자들의 존재는, 펄라이트 내부에 존재하는 시멘타이트 입자들 보다 계면에 존재하는 입자들의 성장이 더 빠른 것을 의미한다. 시멘타이트의 구상화 및 성장은 탄소원자의 확산에 의해 이루어지는데, 어닐링 중 시멘타이트로부터 용해된 탄소원자들이 펄라이트 영역에서 멀리 벗어나지 못하므로 펄라이트 영역 내부에 시멘타이트 입자들이 존재하게 된다 [¹⁸,¹⁹]. 한편 펄라이트/페라이트 계면에 존재하는 시멘타이트 입자들은 어닐링시 계면을 따라 이루어지는 계면확산의 영향으로 펄라이트 내부의 시멘타이트 입자들보다 더 빠르게 성장한다. 그림 6-(e)에 나타낸 페라이트 영역에서는 등축 결정립들이 관찰되어 재결정이 상당히 진행된 것을 알 수 있었으며 일부 연신된 형태의 관찰되는 것으로부터 회복이 완료되지 않았음을 알 수 있었다. 이와 같이 펄라이트 영역에서의 시멘타이트 입자의 구상화 진행과 페라이트 영역에서의 연화현상으로, 인장강도 598 MPa 및 총연신율 20.3%의 기계적성질을 얻을 수 있다 (그림 5-(b)).

3.2.4. 어닐링시 압연재 거동 비교

본 연구에 사용된 압연재들의 어닐링 온도에 따른 기계적성질의 변화를 분석해보며, 소성변형된 미세조직의 영향으로 높은 유동응력을 보이는 초기 압연한 상태, 500 °C와 550 °C에서 어닐링한 효과로 회복과정 진행 및 200 nm 이하의 등축 결정립이 형성된 상태, 재결정이 완료되어 연성이 확보된 600 °C에서 어닐링한 상태의 3단계로 유동응력의 수준이 나누어진다. 특히 500 °C와 550 °C에서 어닐링한 경우 시멘타이트의 구상화 및 조대화와 기지조직의 회복 수준의 연화현상이 진행된 것으로 보인다.

극저온압연 및 냉간압연 마르텐사이트 강재의 어닐링 거동을 비교해보면, 압연재 상태에서는 극저온압연재에 비해 냉간압연재는 상온에서 압연시 발열에 의한 영향으로 시멘타이트 석출 및 일부 회복작용에 의해 강도가 낮아져 인장강도 50 MPa 수준의 차이가 났다. 어닐링 온도 상승에 따라 500 °C에서는 회복, 550 °C에서는 회복 및 재결정, 600 °C에서 재결정 및 결정립 성장이 이루어지며, 시멘타이트는 석출 및 성장에 의한 조대화가 이루어진다. 이러한 과정에서 극저온압연재는 압연상태에서의 높은 전위밀도로 인하여 어닐링시 연화과정이 급속히 진행되어 냉간압연재보다 강도 저하가 급속히 이루어진다 (그림 7-(a)). 따라서 극저온압연 마르텐사이트 강재는 압연상태에 비해 600 °C 어닐링 경우 인장강도가 877 MPa 감소한 반면, 냉간압연 마르텐사이트 강재는 787 MPa의 인장강도가 감소하였다. 특히 600 °C 어닐링시 극저온압연한 마르텐사이트의 강도가 720MPa로 냉간압연한 마르텐사이트의 강도 748 MPa보다 낮아지는 인장강도의 역전 현상이 관찰되었다. 그림 7-(a)의 어닐링 온도에 따른 인장강도 변화에서는 압연온도를 극저온으로부터 상온으로 변경한 것보다 초기 미세조직을 마르텐사이트로부터 베이나이트나 FP로 바꾸는 것이 인장강도 변화에 더 큰 영향을 주는 것을 알 수 있다.

한편 극저온압연재의 초기 미세조직 변화에 따른 어닐링 거동을 분석한 결과, 마르텐사이트 강재는 600 °C까지의 모든 어닐링 온도에서 가장 높은 인장강도 수준과 가장 낮은 총연신율을 보였으며, 반대로 FP 강재는 모든 조건에서 가장 낮은 인장강도와 가장 높은 총연신율을 보였다. 또한 어닐링 온도 상승에 따라 마르텐사이트 강재와 베이나이트 및 FP 강재들 사이의 강도 차이가 감소하는 경향을 보였다. 이는 마르텐사이트 변태시 생성된 많은 전위와 극저온 변형 동안 누적된 높은 전위밀도에 의한 구동력으로 마르텐사이트의 어닐링시 급격한 연화가 발생하였기 때문이다. 어닐링 온도 500 °C와 600 °C 사이의 마르텐사이트 강재의 강도 저하는 350 MPa인 반면, 베이나이트 강재와 FP 강재는 각각 182 MPa와 174 MPa로 마르텐사이트 강재의 연화가 급격히 진행되었다. 이는 베이나이트 및 FP 미세조직이 마르텐사이트보다 열적으로 안정함을 의미한다. 베이나이트 상변태는 마르텐사이트에 비하여 높은 온도에서 발생한다. 따라서, 생성된 시멘타이트 입자는 템퍼링한 마르텐사이트보다 더 조대하고, 열적으로 안정된다. 더구나 베이나이트에서는 유사한 크기의 시멘타이트 입자들이 존재하기 때문에, Gibbs–Thompson 효과의 감소로 시멘타이트 입자 주변의 탄소농도 차이가 크지 않아 어닐링 시 시멘타이트 입자의 조대화 거동 또한 느려진다. 이는 베이나이트에서 높은 열적 안정성을 갖는 시멘타이트 입자들이 전위의 이동을 효과적으로 방해하여, 회복 중 다각화(polygonization) 및 전위의 소멸을 지연시킨다는 것을 의미한다. 결과적으로, 베이나이트 강재는 마르텐사이트 강재보다 어닐링 온도에 따른 인장강도의 변화가 적음을 보여주었다. 그러나, 어닐링 온도가 600 °C로 상승함에 따라, 재결정 페라이트 입자와 조대한 시멘타이트 입자가 두 강재 모두에서 지배적인 미세 조직이 되었다. 따라서, 재결정 후 마르텐사이트 및 베이나이트 강재 모두에서 720 MPa 부근의 유사한 인장강도가 얻어졌다. 한편 FP 강재를 600 °C에서 어닐링한 경우에는 인장강도 598 MPa 수준으로 500 °C나 550 °C 어닐링 보다 강도가 저하했으나, 연화의 속도가 다른 강재에 비해 상대적으로 작았는데, 이는 그림 6-(d)에서 볼 수 있듯이 미세조직 중 강도에 영향을 크게 미치는 펄라이트 영역의 시멘타이트 구상화가 완전히 진행되지 않아, 연화가 충분히 일어나지 않았기 때문으로 보인다.

그림 7-(b)에 나타낸 압연재 및 어닐링 강재에서의 총연신율에 있어서, 극저온압연 마르텐사이트와 냉간압연 마르텐사이트 사이의 차이는 크게 관찰되지 않았으나, 초기 미세조직을 마르텐사이트로부터 베이나이트와 FP로 변경한 경우 어닐링 온도에 따른 연신율의 변화가 명확히 관찰된다. 초기 미세조직 차이에 따른 총연신율의 거동으로는, 500 °C와 550 °C에서 베이나이트 및 FP 강재들의 급격한 상승과 총연신율 6% 수준으로 증가율이 크지 않은 마르텐사이트 강재를 들 수 있다. 마르텐사이트는 어닐링 온도 550 °C까지 낮은 수준을 유지하다 600 °C에 이르러 급격히 상승하는데, 이는 550 °C에서 (그림 4-(a)~(d)) 생성된 등축 결정립이 소량이고 아결정립의 폭이 극저온 압연상태에서 관찰된 (그림 1-(a)와 (b)) 연신된 밴드형태의 전위조직의 폭과 큰 차이가 없었으며, 600 °C에서 재결정 및 결정립 성장이 이루어지기 때문이다. 한편 베이나이트와 FP인 경우, 500~550 °C 어닐링 온도에서 기지조직의 회복, 내부의 전위밀도 감소, 시멘타이트의 구상화 및 성장으로 총연신율의 증가가 이루어지다가, 600 °C에서 재결정 및 결정립 성장에 따라 급격히 연성이 증가하였다.

이상의 결과로부터, 극저온압연재를 어닐링한 베이나이트 강재가 강도 및 총연신율 모두 마르텐사이트 강재와 FP 강재의 중간값을 가지고 있으며, 어닐링 온도 변화에 따른 인장강도의 저하는 작으나 총연신율의 증가는 높아, 600 °C의 열처리 온도에서, 마르텐사이트 강재와 유사한 719 MPa의 인장강도를 보였으며 또한 FP 강재와 대등한 20% 수준의 총연신율을 보였다 (그림 7). 이것은 극저온압 연한 베이나이트 강재가 인장강도와 연성의 우수한 조합을 가짐을 의미하며, 어닐링 온도 상승에 따른 인장강도 감소가 작아 우수한 열적 안정성을 보였으며, 총연신율의 현저한 증가를 보였다. 따라서 초기 미세조직으로서 베이나이트는 마르텐사이트 및 FP보다 더 높은 열적 안정성을 가지며 및 강도와 연성의 우수한 조합을 가지는 것을 알 수 있었다.