철-탄소 위상 다이어그램

철-탄소 위상 다이어그램

위상 다이어그램은 야금의 많은 실제 문제를 해결하기 위한 합금 연구에서 매우 중요한 도구입니다. 이 다이어그램은 일정한 대기압 조건에서 합금 시스템에 존재할 수 있는 상의 안정성 영역을 정의합니다. 이진 시스템의 경우 이러한 다이어그램의 좌표는 온도와 구성입니다. 합금 시스템의 상, 온도 및 조성 간의 상호 관계는 일반적으로 평형 조건에서만 상 다이어그램으로 표시됩니다. 이러한 조건은 변형 동역학이 중요한 역할을 하지 않는 합금의 느린 가열 및 냉각 속도 동안 발생합니다.

가장 단순한 형태의 철과 강철은 철(Fe)과 탄소(C)의 합금입니다. 철 합금에는 세 가지 유형이 있습니다. 이러한 합금은 (i) 실온에서 C 함량이 0.0008% 미만인 철, (ii) C 함량이 0.008% ~ 2.14%(일반적으로 1% 미만)이고 페라이트 및 시멘타이트로 구성된 미세 조직을 갖는 강으로 구성됩니다. ), 및 (iii) C 함량이 2.14%에서 6.7%(일반적으로 4.5% 미만)인 주철. 철과 강의 구성과 구조에 대한 연구는 철-탄소(Fe-C) 상도(그림 1)에서 시작됩니다. Fe-C 상도는 열처리 공정을 이해하기 위한 기초 자료로도 사용됩니다.

Fe-C 시스템의 많은 기본 기능은 가장 복잡한 합금 철 및 강의 거동에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 단순 이원 Fe-C 시스템에서 발견되는 상은 복합강에서 지속되지만 합금 원소가 이러한 상의 형성 및 특성에 미치는 영향을 조사할 필요가 있습니다. Fe-C 다이어그램은 일반 탄소강과 합금강에 대한 지식을 구축할 수 있는 귀중한 토대를 제공합니다.

그림 1 철 탄소 상 다이어그램

C는 Fe의 틈새 불순물입니다. 철의 알파, 감마 및 델타 위상이 있는 고체 솔루션을 형성합니다. 알파 철에서 C의 최대 용해도는 섭씨 727도에서 0.025%입니다. 체심 입방체(BCC) 철은 틈새 위치가 상대적으로 작습니다. 면심입방(FCC) 감마 철에서 C의 최대 용해도는 1148℃에서 2.14%입니다. FCC 철은 더 큰 틈새 위치를 가지고 있습니다. 철-탄소 합금(철 및 강철)의 기계적 특성은 미세 구조, 즉 다양한 상이 혼합되는 방식에 따라 다릅니다.

그림 2의 철-탄소 상 다이어그램은 실제로 (i) 안정적인 철-흑연 다이어그램(빨간색 선), (ii) 및 준안정 Fe-Fe3C 다이어그램의 두 가지 다이어그램을 보여줍니다. Cementite는 준안정성이며 진정한 평형은 철과 흑연(C) 사이에 있어야 합니다. 흑연은 주철에서 광범위하게 발생하지만 일반적으로 강철에서 이러한 평형 상을 얻기가 어렵습니다. 안정된 상태는 일반적으로 특히 저온 및 저탄소 범위에서 발달하는 데 매우 오랜 시간이 걸립니다. 따라서 일반적으로 사용되는 정상평형도는 준안정 Fe-Fe3C 선도인데, 이는 실제로 대부분의 강의 거동과 관련이 있기 때문입니다.

Fe-C 시스템의 안정적이고 준안정적인 위상 다이어그램의 세부 사항, 특히 Fe가 풍부한 측면은 유사한 복잡성을 가진 다른 이진 시스템보다 훨씬 잘 알려져 있습니다. 그러나 제철과 직접적인 관련이 없는 온도, 조성 및 압력 범위와 같이 위상도가 잘 확립되지 않은 상당한 영역이 여전히 있습니다.

그림 2 안정 및 준안정 상을 보여주는 철-탄소 도표

철 탄소 시스템에는 몇 가지 중요한 야금 단계와 미량 성분이 있습니다. Fe–Fe3C 시스템에서 탄소는 Fe의 틈새 불순물입니다. 철의 알파(알파 페라이트), 감마(오스테나이트) 및 델타(델타 페라이트) 상으로 고용체를 형성합니다. Fe – Fe3C 단계 다이어그램의 중요한 단계입니다. 단상 장 사이에는 페라이트와 시멘타이트, 오스테나이트와 시멘타이트, 페라이트와 오스테나이트와 같은 두 상이 혼합된 영역이 있습니다. 가장 높은 온도에서 액체상 필드가 발견될 수 있으며 그 아래에는 액체 및 오스테나이트, 액체 및 시멘타이트, 액체 및 페라이트의 두 가지 상 필드가 있습니다. 강철의 열처리에서 액체상은 항상 피합니다. 공융점(4.26% C)에서 냉각 시 액체 합금은 2상 필드 없이 직접 오스테나이트와 시멘타이트로 변환됩니다. 유사하게, 공석 점(0.76% C)에서 냉각 시 오스테나이트 상은 2상 필드 없이 페라이트와 시멘타이트로 직접 변환됩니다. 단상 필드의 일부 중요한 경계에는 다이어그램의 이해를 돕기 위해 특수 이름이 지정되었습니다.

평형상태에 있는 철과 강철의 주요상은 다음과 같은 상이다.

• 페라이트 또는 알파-철상 – 상온에서 안정적인 철 형태입니다. 비교적 부드러운 저온상이며 안정된 평형상이다. 910℃에서 FCC 오스테나이트(감마 상)로 변합니다. 페라이트는 강철의 일반적인 구성 성분이며 FCC 구조보다 덜 조밀하게 채워진 BCC 구조를 가지고 있습니다. 부드럽고 상당히 연성입니다. 768℃ 이하에서는 자성이 있습니다. 강도가 낮고 인성이 좋습니다.
• 오스테나이트 또는 감마 철 상 – 오스테나이트는 고온 상입니다. FCC 아이언에서 C의 견고한 솔루션입니다. 따라서 FCC 구조를 가지고 있으며 이는 조밀하게 패킹된 구조입니다. 비자성 및 연성 상입니다. 1394°C에서 BCC 델타 페라이트로 변형됩니다. 급속 냉각하지 않으면 공정 온도(727°C) 이하에서는 안정적이지 않습니다. 오스테나이트는 강도와 인성이 좋습니다.
• 델타 페라이트 상 – BCC 철에서 C의 고체 솔루션입니다. 1394°C 이상의 온도에서만 안정적입니다. 1538°C에서 녹습니다. 상자성 특성을 가지고 있습니다.
• 시멘타이트 – Fe3C 또는 철 탄화물입니다. Fe와 C의 금속간 화합물이다. 복잡한 사방정계 구조를 가지며 준안정상이다. 단단하고 부서지기 쉬운 단계입니다. 인장 강도가 낮고 압축 강도가 좋으며 인성이 낮습니다. 650°C~700°C의 온도 범위에서 알파 페라이트와 C(흑연)로 분해됩니다(매우 천천히, 몇 년 내에).

오스테나이트와 페라이트를 비교할 때 탄소의 용해도는 1148℃에서 최대값 2.14%로 오스테나이트에 더 많이 존재합니다. 이러한 오스테나이트에 대한 탄소의 높은 용해도는 열처리에서 매우 중요합니다. 실온까지 철에 탄소의 과포화 고용체를 형성할 수 있습니다. 페라이트 상은 727℃에서 최대 탄소 용해도 0.025%로 제한됩니다. 일반 강에서 사용 가능한 탄소 범위가 0.05%에서 1.5%이기 때문에 페라이트는 일반적으로 한 가지 또는 다른 형태로 시멘타이트와 결합됩니다. 유사하게, delta-phase는 매우 제한적이며 1394 deg C와 1538 deg C 사이의 온도 범위에 있습니다. 탄소 함량이 0.5%에 도달하면 완전히 사라집니다.

공석 조성의 합금(0.76% C)은 천천히 냉각되면 알파 페라이트와 시멘타이트의 두 가지 층 구조인 펄라이트를 형성합니다. 펄라이트는 페라이트-시멘타이트 상 혼합물입니다. 그것은 특징적인 외관을 가지고 있으며 미세 구조적 실체 또는 미세 구성 요소로 취급될 수 있습니다. 섭씨 727도 이하에서 장기간 유지한 후 페라이트 매트릭스와 함께 분산된 시멘타이트 입자로 퇴화(구형화 또는 조대화)되는 교대 페라이트 및 시멘타이트 라멜라의 집합체입니다. 공석이며 BCC 구조를 가지고 있습니다. Fe와 C의 부분적으로 용해되는 용액입니다. 기계적으로 펄라이트는 중간에서 부드럽고 연성이 있는 페라이트와 단단하고 부서지기 쉬운 시멘타이트의 특성을 가지고 있습니다. 강도가 높고 인성이 낮습니다.

차공석 합금은 공석 페라이트 및 시멘타이트를 포함하는 공석 펄라이트와 함께 공석 페라이트(공석 온도 이상에서 형성됨)를 포함합니다. 초공석 합금은 공석 페라이트 및 시멘타이트를 포함하는 펄라이트와 함께 공석 온도 이상에서 형성되는 친공석 시멘타이트를 포함합니다.

Fe-C 시스템의 비평형 응고의 경우 일부 추가 유형의 미세 구조도 형성될 수 있습니다. 이러한 미세 구조 중 일부는 아래에 나와 있습니다.

• 베이나이트 – 펄라이트와 마르텐사이트 사이의 상입니다. 그것은 단단한 준안정성 미량 성분이며 극도로 미세한 규모의 페라이트와 시멘타이트의 비층상 혼합물로 구성됩니다. 상부 베이나이트는 고온에서 형성되며 깃털 모양을 하고 있습니다. 낮은 베이나이트는 낮은 온도에서 형성되며 침상 모양을 가지고 있습니다. 베이나이트의 경도는 형성 온도가 감소함에 따라 증가합니다. 강도와 인성이 좋습니다.
• 마르텐사이트 – 강철 결정 구조의 매우 단단한 형태입니다. 독일 야금학자 Adolf Martens의 이름을 따서 명명되었습니다. 급속 냉각에 의해 형성되며 단단하고 부서지기 쉽습니다. 그것은 약간의 탄소가 용해된 철의 체심 정방정(BCT) 형태입니다. 그것은 담금질 중에 형성되며, 오스테나이트의 면심 입방 격자가 포함된 탄소 원자를 시멘타이트 및 페라이트로 손실하지 않고 체심 정방정계 구조로 왜곡됩니다. 페라이트에 있는 C 원자의 과포화 용액입니다. 어려운 준안정 단계입니다. C가 0.6% 미만이면 라스 형태, C가 1% 이상일 때 판 형태, 그 사이의 혼합 형태를 갖는다. 강도와 경도가 높고 인성이 낮습니다.
• 소르바이트/트로스트타이트 – 매우 미세한 플레이크를 가진 하부 펄라이트 단계의 구조를 소르바이트 및 트로스트타이트라고 합니다. 냉각 속도가 증가함에 따라 펄라이트 단계의 변형 구조입니다. 그러나 플레이크 거리와 관련하여 구조 비율 및 펄라이트 형성이 변경됩니다. 구조는 광학 현미경으로 볼 수 없습니다.
• Widmanstatten ferrite – 차공석 평탄소강이 A3 온도 이상의 온도에서 급격히 냉각될 때 얻어진다. 급속 냉각으로 인해 페라이트 결정이 결정립계뿐만 아니라 큰 오스테나이트 결정립 내에서 핵을 형성하는 데 사용할 수 있는 시간이 거의 없습니다. 그들은 입자 내부에서 선호하는 결정 방향으로 빠르게 성장하여 길어집니다. 구조는 하나의 곡물 내에서 같은 방향을 따라 정렬되는 경향이 있는 바늘(선반) 또는 판 형태입니다.

Iron-C 다이어그램에는 기본 및 실용적인 관점에서 모두 중요한 많은 온도와 임계점이 있습니다. 이것은 냉각 또는 가열 중에 위상 및 자기 변형이 발생할 때의 온도입니다. 고체 상태에서 변형이 일어나는 온도를 임계 온도 또는 임계점이라고 합니다. 주요 온도 및 임계점은 아래와 같습니다.

• A0 온도 – 가열 시 시멘타이트의 자기에서 비자기로의 변화가 발생할 때의 퀴리 온도입니다. 구조는 전위, 결함 및 공석과 같은 결함을 개발할 수 있습니다. Cementite는 금속성이며 퀴리 온도가 약 210°C인 강자성체입니다. 합금되면 금속성 용질이 철 부위를 대체합니다. 붕소와 같은 더 작은 원자는 틈새 사이트에서 탄소를 대체합니다.
• A1 온도 - 공석 변태가 일어날 때의 온도(727 deg C)입니다. 이 온도에서 펄라이트는 가열 시 오스테나이트로 변하고 그 반대도 마찬가지입니다.
• A2 온도 – 가열 시 강자성 페라이트가 상자성으로 변하는 페라이트의 퀴리 온도(768℃)라고 합니다. 이 온도에서는 미세 구조의 변화가 없습니다.
• A3 온도 – 냉각 차공석강 또는 유리 페라이트의 마지막 흔적이 가열 시 오스테나이트로 변하는 페라이트가 오스테나이트에서 막 형성되기 시작하는 온도입니다. 따라서 차아공석강에 대한 감마+알파/감마 상 경계에 해당하는 온도이며 0%C에서 910degC에서 0.76%C에서 727degC로 감소함에 따라 강의 탄소 함량의 함수입니다. 차아공석강의 임계상한온도라고도 한다. A1과 A3 온도 사이의 온도 간격을 오스테나이트가 페라이트와 평형을 이루는 임계 범위라고 합니다.
• Acm 온도 – 초공석강의 온도로, 초공석 시멘타이트가 오스테나이트로부터 (냉각 시) 형성되기 시작하는 온도입니다. 감마/감마 + Fe3C 상 경계의 온도를 나타내며, 탄소의 함수입니다. Acm 선은 낮은 온도에서 시멘타이트의 더 큰 안정성으로 인해 오스테나이트에서 탄소의 고용도가 1148℃에서 최대 2.14%에서 727℃에서 최대 0.76%로 매우 빠르게 감소한다는 것을 보여줍니다. 여분의 탄소는 과공석강(주철에서는 2차 시멘타이트라고도 함)에서 친공석 시멘타이트로서 오스테나이트에서 침전됩니다. 오스테나이트로부터 시멘타이트의 분리(냉각 시)는 또한 열의 발생을 동반합니다.
• A4 온도 – 오스테나이트가 델타 철로 변태하는 온도입니다. 이 온도의 가장 낮은 값은 순철의 경우인 1394℃입니다. 이 온도는 탄소 비율이 증가함에 따라 증가합니다.
• M 온도 – 냉각 중에 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 변태가 시작되는 온도입니다.
• Mf 온도 – 냉각 중에 마르텐사이트 형성이 완료되는 온도입니다. 마르텐사이트 형성을 제외한 모든 변화는 가열 중보다 냉각 중에 더 낮은 온도에서 발생하며 온도 변화율에 따라 달라집니다.

오스테나이트-페라이트 변태 – 평형 조건에서 초석 페라이트는 최대 0.76%의 탄소를 포함하는 철-탄소 합금에서 형성됩니다. 반응은 순철의 경우 910℃에서 발생하지만 철-탄소 합금의 경우 910℃에서 727℃ 사이에서 발생합니다. 그러나 오스테나이트 상태에서 공석 온도 이하의 온도로 담금질함으로써 페라이트는 600℃의 낮은 온도까지 형성될 수 있습니다. 일반적으로 차아 공석에 일반적으로 적용되는 변태 온도가 낮아짐에 따라 현저한 형태 변화가 있습니다. 각 경우에 관련된 상의 정확한 결정학으로 인해 변동이 있지만 초공석상이 있습니다. 예를 들어, 동일한 원리가 오스테나이트로부터 시멘타이트 형성에 적용되지만 형태학적으로 페라이트와 시멘타이트를 구별하는 것은 어렵지 않습니다.

오스테나이트-시멘타이트 변태 – 점진적으로 낮은 변태 온도에서 형성되는 다양한 형태의 시멘타이트가 있습니다. 입계 동형체의 초기 발달은 페라이트와 매우 유사하며 측판 또는 Widmanstatten Cementite의 성장도 동일한 패턴을 따릅니다. 동종이형은 내부 결정 대칭을 반영하지 않는 모양을 가지고 있습니다. 이는 오스테나이트 결정립 표면에서 핵을 생성하는 경향이 있어 결정립계 윤곽을 따르는 층을 형성하기 때문입니다. 시멘타이트 판은 오스테나이트와의 배향 관계가 더 복잡한 관계라는 사실에도 불구하고 형태가 더 엄격하게 결정학적입니다. 페라이트의 경우와 마찬가지로 대부분의 측판은 결정립계 동형체에서 유래하지만 시멘타이트 반응에서는 더 많은 측판이 오스테나이트의 쌍경계에서 핵을 생성합니다.

오스테나이트-펄라이트 반응 – 펄라이트는 철 탄소 상 다이어그램에서 가장 친숙한 미세 구조입니다. 그것은 철과 탄화철의 층상 혼합물이라고 올바르게 가정한 Sorby에 의해 100여년 전에 발견되었습니다. 강도에 상당한 기여를 하는 다양한 강재의 매우 일반적인 구성요소입니다. 이 유형의 라멜라 공석 구조는 철강 야금 분야에서 널리 퍼져 있습니다. 이러한 구조는 세포 침전 반응과 많은 공통점이 있습니다. 두 가지 반응 유형 모두 핵 생성과 성장에 의해 발생하므로 확산이 제어됩니다. 펄라이트 핵은 오스테나이트 결정립계에서 발생하지만 초석 페라이트 및 시멘타이트와도 연관될 수 있음이 분명합니다. 상업용 철강에서 펄라이트 결절은 내포물에서 핵을 생성할 수 있습니다.