오스테나이트의 등온 변태
만약 어떤 강이 오스테나이트인 온도에서부터 공석 등온 바로 아래 온도로 냉각되면, 즉시 펄라이트가 형성되지는 않는다. 오스테나이트로부터 펄라이트의 형성은, 시멘타이트와 페라이트 층상구조 속으로 탄소의 재배열 및 재분배를 필요로 한다. 다시 말해서, 그것은 확산과정이다. 그리고 확산이 일어나기 위해서는 일정량의 시간이 필요하다. 1080강을 공석 온도 아래 여러 온도로 급랭하고 그 각 온도에서 펄라이트가 형성될 때까지 유지하는 경우를 생각해 보자. 실험적으로 어떤 온도의존성을 발견할 수 있다. 그리고 이것은 등온 변태도를 사용하여 설명될 수 있다.
* 확산은 열적 움직임 또는 농도변화에 의한 원자의 이동이다. 원자의 확산이 필요한 모든 과정을 확산과정이라고 한다.
등온 변태도
등온 변태도는 필수적으로 두 개의 곡선으로 구성된다. 첫 번째 것이 여러 온도에서 오스테나이트로부터 펄라이트 변태가 시작되는 시간들의 궤적이다. 그리고 두 번째는 변태가 완료되는 시간들의 궤적이다. 1080강 시편이 900℃에서 700℃로 급랭되고 이 온도에 유지된다면, 오스테나이트의 펄라이트로의 분해가 100초에서 시작된다. 변태도의 구역들은 이러한 온도와 시간에서 존재하는 상들에 의해 표시되었다. 변태의 시작을 나타내는 곡선을 왼쪽으로 그리고, 공석 온도 위에서는 미세조직에 오직 오스테나이트만이 존재한다. 시작과 완료 곡선 사이에서 시편은 오스테나이트와 펄라이트(페라이트와 시멘타이트)를 포함한다. 시편이 전체적으로 변태된 후에, 단지 공석미세구성물만이 존재한다.
C-곡선 거동
높은 온도, 예를 들면 700℃에서, 변태는 느리다. 낮은 온도, 예를 들면 540℃에서 그것은 매우 빠르다. 그리고 여전히 매우 낮은 온도, 예를 들면 300℃까지 변태는 다시 느려진다. 등온-변태도에서 곡선의 형태는 또한 문자 C의 형태를 닮았다. C-곡선 거동의 설명은 오스테나이트로부터 펄라이트로 변태에 대한 구동력과 확산에 대한 열적 활성화 사이의 상호작용에 따른다. 공석반응에 대한 구동력은, 오스테나이트의 에너지와 반응의 결과로 나타나는 페라이트와 시멘타이트 미세구성물의 에너지 차이이다. 에너지는 공석 온도 아래 모든 온도에서, 오스테나이트의 에너지보다 낮다. 그러나 에너지 차이, 즉 반응에 대한 구동력은 공석 온도 아래로 온도가 감소함에 따라 증가한다.
확산은 펄라이트 변태에 필수적이다. 왜냐하면 균일한 탄소 함량의 오스테나이트가 낮은 탄소 함량의 페라이트와 높은 탄소 함량의 시멘타이트로 분해해야 하기 때문이다. 펄라이트가 핵생성 하거나 또는 페라이트와 시멘타이트의 교차 적층판을 형성하기 시작하고 탄소 원자의 재분배를 필요로 한다. 탄소 원자는 성장하는 페라이트 판 앞에서 확산되어 나와서 성장하는 시멘타이트 층 앞에 농축된다. 확산은 열적으로 활성화된다. 따라서 확산 속도는 온도가 증가함에 따라 지수적으로 증가한다.
펄라이트 반응이 최대 속도로 진행하기 위해서는, 확산 속도와 구동력의 최상 결합을 가지는 것이 필요하다. 공석선 가까이 높은 온도에서, 확산 속도는 높다. 그러나 반응에 필요한 구동력은 낮다. 낮은 온도에서는 그 반대다. 구동력은 크나 확산 속도는 느리다. 확산 속도와 구동력의 최상 결합이 일어나는 저 중간 온도가 등온 변태도의 곡선이 세로축에 가장 근접한 온도이다. 이것을 변태도의 '코(nose)'라고 한다.
코 아래에서의 베이나이트 형성
베이나이트 구조는, 탄소의 확산 속도가 코 아래 온도에서 매우 느리기 때문에 펄라이트와 다르다. 확산 속도가 탄소원자로 하여금 먼 거리를 이동하게 하기에는 너무 느리다. 그리고 이 온도에서는 시멘타이트의 층상 형상은 실현될 수가 없다. 페라이트는 판상으로 나타난다. 그리고 시멘타이트는 페라이트판상이 접한 부위에 작은 입자로 나타난다. 이러한 시멘타이트의 작은 입자는 광학현미경으로 관찰하기에 너무 미세하다. 그러나 전자현미경으로는 관찰할 수 있다. 베이나이트는 그것이 형성되는 온도에 따라 여러 미세구조 형태를 가진다. 등온 변태도의 코 바로 아래에서 형성된 베이나이트는 윗 베이나이트 또는 깃털 베이나이트라고 부른다. 왜냐하면 그것은 새의 깃털 모양을 닮았기 때문이다. 그리고 낮은 온도에서 형성된 베이나이트는 아래 베이나이트라 부른다. 아래 베이나이트는 그것의 모양이 렌즈 모양이라는 점에서 윗베이나이트와 다르다.