1. 체심 입방 격자(BCC)
체심 입방 격자(BCC)에 대해 알아보도록 하겠습니다.
체심 입방 격자를 한 변의 길이가 일정한 크기로 절단하면 입방체（立方體）가 됩니다.
이 입방체 속에서 원자가 점유하고 있는 부분은 얼마나 될까요？ 그리고 나머지 공간（空間）중에서 가장 큰 공간은 어디에 있을까?
각 모퉁이에 있는 하나의 원자는 인접해 있는 8개의 입방체들과 공유（公有）되어 있으므로， 모퉁이에는 한 원자의 1/8씩이 존재하게 됩니다. 평균적으로 입방체는 이와 같은 1/8 원자가 8개 있고, 입방체의 중심에 하나의 원자가 있습니다. 그러므로 1/8 x 8 + 1 =2 즉, 한 변의 길이가 'a'인 체심 입방 격자 속에는 2개의 원자가 존재하는 것과 같습니다. 이 입방체 속에서 2 개의 원자가 점유하고 있는 비율은 대략68% 입니다. 그러므로 나머지 32％가 비어있는 공간（空間）인 것 입니다.
이처럼 원자와 원자 사이에 많은 공간이 있습니다. 이 공간 중에서 가장 큰 공간은 어디에 있을까요?
두 개의 단위 격자를 포개 놓고, 그 사이의 공간에 꼭 알맞는 구슬을 넣어 보는 실험을 한다고 생각해 보겠습니다. 그러면 공간에는 원자 반경의 약 30% 크기인 구슬이 들어 갈 수 있고, 나머지의 공간에는 원자 반경의 약 15%인 구슬을 넣을 수 있습니다.
그러므로 체심 입방 격자는 중심 부분에 가장 큰 공간이 존재한다는 사실을 알 수 있을 것입니다.
체심 입방 격자의 결정 구조를 가지고 있는 금속은 우리 주위에 있는 철(Fe, 910℃ 이하)과 매우 높은 온도의 철 (Fe, 1400℃ 이상의 온도)을 비롯하여 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V)등이 있습니다.
2. 면심 입방 격자(FCC)
면심 입방 격자를 'a'의 길이로 절단한다고 생각해봅시다. 이 면심입방격자는 입방체가 됩니다.
이 입방체에서 원자가 점유하고 있는 비율(충진율)과 공간을 조사하여 보도록 하겠습니다. 이 입방체의 모퉁이에는 체심입방격자의 경우처럼 1/8 짜리 원자(8개)가 있고, 또 각 면의 중심에는 1/2 짜리 원자(6개)가 있습니다. 그러므로 입방체 속에는 (1/8) x 8 +(1/2) x 6 = 4 ,
즉 4 개의 원자가 있는 것과 같습니다. 이 입방체 속에서 4개의 원자가 점유하고 있는 비율, 즉 원자의 충진률은 약 74%이고, 나머지 26%가 공간인 것 입니다.
면심 입방 격자 속에 생긴 공간에 꼭 맞는 구슬을 넣어 본다고 가정해 보겠습니다. 앞에 있는 원자를 제거하고 그 속을 보면 같은 장소에 큰 공간이 있다는 것을 알 수 있을 것 입니다. 즉 비어있는 공간에는 원자 반경의 약 22% 정도의 구슬을 넣을 수 있고, 그 외의 공간에는 원자 반경의 약 40%인 구슬을 넣을수 있습니다.
체심 입방 격자와 면심 입방 격자 중에 하단 장소에 가장 큰 구슬이 존재할 수 있습니다.
면심 입방 격자(FCC)의 구조로 된 금속은 910℃~1400℃ 사이의 높은 온도로 가열된 철(Fe)과 알루미늄(Al),동(Cu),금(Au),은(Ag), 니켈(Ni)등이 있습니다.
3. 원자 충진율과 공간의 중요성
(i) 원자 충진율 비교
체심 입방 격자의 충진율은 68%이고, 면심 입방 격자의 충진율은 74% 입니다. 그러므로 체심 입방 격자보다 면심입방 격자의 원자들이 좀촘히 배열되어 있다는 것을 알수 있습니다. 성기게 쌓았던 원자들을 총좀히 쌓으면 체적이 줄 것이고, 반대로 좀좀히 쌓았던 원자들을 성기게 쌓으면 체적이 커지는 것은 당연한 현상입니다.
순철（純鐵）의 경우를 생각해 보겠습니다. 순철의 원자들은 910℃ 이하에서 체심 입방 격자의 방법으로 쌓여 있다가, 910℃에서 면심 입방 격자의 방법으로 바뀌게 됩니다. 이 때 체적이 감소하게 되는 것 입니다. 910℃에서부터 1400℃사이에서는 계속 면심 입방 격자의 방법으로 쌓여 있다가, 1400℃에서 다시 체심 입방 격자의 방법으로 변하게 됩니다. 이 온도에서 체적이 증가하게 되는 것 입니다. 그 후 용융될 때까지 그대로 존재하게 됩니다.
이와 같이 결정 구조가 바뀔 때마다 원자가쌓이는 방법이 바뀌기 때문에 체적이 변하게 되는 것 입니다.
(ii) 공간에 큰 비밀
체심 입방 격자 속에는 32%의 공간이 있고 면심 입방 격자 속에는 26%의 공간이 있으므로, 체심 입방 격자속에 공간이 많이 있습니다. 그러나 큰 공간은 오히려 면심입방 격자 속에 있으므로 체심 입방 격자 속에는 작은 공간이 백빽히 존재하지만, 면심 입방 격자 속에는 큰 공간이 드문드문 있을 것으로 생각됩니다.
이와 같이 체심 입방 격자 속에는 작은 공간만 있고 면심 입방 격자 속에는 큰 공간이 있다는 사실이 철강재료에서 매우 큰 의미가 있습니다.
그 이유가 무엇일까요?
910℃ 이하의 순철（純鐵）은 체심 입방 격자이고，910℃~1400℃ 사이는 면심 입방 격자입니다. 그러므로 910℃ 이하일 때 철 속에 작은 공간만 있으나, 910℃ 이상이 되면 큰 공간이 생기게 됩니다.
철속에는 거의 항상 탄소(C)가 존재하고 있으며 탄소의 크기는 면심 입방 격자의 큰 공간 정도입니다. 만약 이 탄소를 철 속에 넣는다면 어떻게 될까요?
면심 입방 격자의 큰 공간 속에는 탄소가 들어갈 수 있으나, 체심 입방격자의 작은공간에는 탄소가 들어갈 수 없습니다.
다시 말하면 높은 온도로 빨갛게 가열된 철의 결정 구조는 면심 입방 격자(FCC)이므로, 이 철 속에는 탄소가 편안히 들어갈 장소가 있습니다. 그러나 냉각되어 상온의 철로 되면 결정 구조가 체심 입방 격자(BCC)로 되므로 탄소가 있을 자리가 없어지게 됩니다.
철의 원자들 사이에 큰 공간이 있을 경우(FCC)에는 탄소 원자들이 철 원자 사이에 안정하게 편안히 존재할 수 있습니다. 그러나 철 원자 사이에 작은 공간밖에 없을 경우(BCC)에는 탄소 원자들이 있을 장소가 없기 때문에, 탄소 원자들이 모여서 탄소 덩어리 모양으로 석출할 수 밖에 없게 되는 것 입니다.
빨갛게 가열된 고온의 철을 냉각하거나 반대로 상온의 철을 고온으로 가열하면 철 속의 탄소 원자들은모양이 변화하게 됩니다. 이와 같이 온도에 따라 철의 결정 구조가 변하면서 철 속에 있던 탄소 원자들의 모양도 변하게 되는 것 입니다.
탄소 원자들이 석출하는 모양에 따라 철강 재료의 여러 성질들이 다양하게 변하게 됩니다.
즉 철강 재료를 열처리하였을 때 생기는 현상들은 주로 위의 사실 때문에 생기는 것입니다. 매우 간단하고 당연한 사실이지만, 앞으로 자주 나타나는 중요한 기초 이론이라고 할 수 있습니다.