철-탄소 상태도(Phase Diagram) 완벽 해설: 강철·주철 이해 핵심

철-탄소 상태도

철-탄소 상태도(Phase Diagram)는 강철과 주철의 다양한 상(Phase) 이해에 널리 쓰입니다. 둘 다 철-탄소 혼합물이며 미량 원소도 포함합니다.

그래프는 복잡하지만 Fe₃C(시멘타이트)까지만 다루므로 탄소 6.67 wt%까지만 다룹니다.

이 상태도는 X축에 탄소 중량%, Y축에 온도를 두고 그립니다.

아래 그림은 Fe-C 평형도로, 가열/냉각 중 얻어지는 다양한 조직, 상, 강철·주철 미세 구성체를 보여줍니다. 주요 조직, 각종 선·임계점 의미는 아래서 설명.

Fe-C 선도 내 주요 미세조직

철강 주요 미세 구성체:

• 오스테나이트(Austenite, γ-Fe)
• 페라이트(Ferrite, α-Fe)
• 시멘타이트(Cementite, Fe₃C)
• 펄라이트(Pearlite)

1. 오스테나이트 (Austenite, γ-Fe)

감마철(γ-Fe)에 자유 탄소(페라이트)가 고용된 고용체. 강철 가열 시 상임계점 넘어 조직이 오스테나이트로 완전 변태. 단단하고 연성 있으며 비자성.

대량 탄소 고용 가능. 가열/냉각 중 임계/변태 구간 사이에 존재. 1.8% C, 1130°C에서 형성. 723°C 이하 냉각 시 펄라이트+페라이트로 변태 시작. 오스테나이트강은 통상 열처리로 경화 불가, 비자성.

2. 페라이트 (Ferrite, α-Fe)

철에 탄소 극미량 또는 없음. 순수 철 결정으로 연하고 전연성. 저탄소강 서냉 시 임계점 아래서 페라이트 조직 생성. 급랭해도 경화 안 됨. 매우 부드럽고 강자성.

3. 시멘타이트 (Cementite, Fe₃C)

탄소-철 화학 화합물로 탄화철(Fe₃C) 알려짐. 6.67% C 주철은 완전 시멘타이트 조직. 0.83% C 초과 강철엔 자유 시멘타이트 존재, 탄소% 증가에 따라 증가(Fe-C 평형도 반영). 극히 경도 높음.

주철 경도·취성 원인 시멘타이트 존재로 봅니다. 인장 강도 감소. 탄소가 철과 정해진 조합(탄화철)으로 존재하며 극히 단단. 주철 취성·경도 주로 시멘타이트 제어. 200°C 이하서 자성.

4. 펄라이트 (Pearlite)

페라이트+시멘타이트 공석 변태(Eutectoid) 합금. 중·저탄소강서 페라이트:시멘타이트=87:13 기계적 혼합물로 나타남. 펄라이트 비율 높을수록 경도↑.

펄라이트: 비교적 강하고 단단하며 연성. 페라이트: 약하고 부드러우나 연성. 교대 밝고 어두운 판(층) 구조. 현미경서 진주 광택 닮아 펄라이트 명명. 이 층들은 번갈아 페라이트와 시멘타이트.

탄소 0.2% 초과 시 오스테나이트서 페라이트 최초 석출 온도 하강, 0.8% C 이상서 자유 페라이트 석출 없음. 이 강을 공석강(Eutectoid Steel)이라 하며 펄라이트 단일 조직.

다양한 탄소%(최대 6%) 함유 철 가열/냉각 시 다음 선들이 조직 변화 의미.

변태선(Transformation Lines) 의미

1. ABCD 선

이 선 위서 가열 중 용융 완료. 용융 금속 완전 액상(Liquidus). 이 선 아래 AHJECF 선 위서는 반고체 반액체. 고체 부분은 오스테나이트. ABCD 선은 용융 완료 온도. 이 선 넘으면 완전 용융. 수평선 아님→탄소 함량 따라 용융점 변함.

2. AHJECF 선

이 온도서 용융 시작(액상선, Liquidus). 수평 아님→탄소 함량 따라 용융 시작점 변함. 이 선 아래 GSEC 선 위서는 고체 오스테나이트 조직.

3. PSK 선

723°C 부근 수평선으로 하임계온도선(Lower Critical Temperature Line). 강철 변태 시작선. 탄소% 영향 없어 서로 다른 탄소% 강철도 동일 온도서 변태 시작.

이 선 위 GSE 선까지 변태 구간. 이 선은 탄소 0.8% 이하 강철이 가열 시 페라이트+펄라이트→오스테나이트 변태 시작 의미.

4. ECF 선

1130°C 선으로 주철 탄소 2~4.3% 구간. 이 선 아래 SK 선 위서 주철은 오스테나이트+레데부라이트, 시멘타이트+레데부라이트 조직.

자주 묻는 질문 (FAQ)

철-탄소 선도란?

Fe-C 선도(철-탄소 상/평형도)는 온도와 탄소 함량에 따른 철-탄소 합금(Fe-C) 미세조직 상태 그래픽 표현. 설명 위해 금속 조직과 순수 철 소개 필요.

철-탄소 선도 어떻게 읽나?

왜 평형도라 부르나?

탄화철(Fe₃C)은 준안정상(Metastable Phase). 철-탄화철 선도는 기술적으론 준안정 조건이나, 비교적 서냉/서가열 조건서 평형 변화 대표로 간주.

철-탄소 상태도 상(Phase)들은?

관심 상 영역: 페라이트, 시멘타이트, 오스테나이트, 페라이트+시멘타이트, 페라이트+오스테나이트, 오스테나이트+시멘타이트.

탄소 평형도란?

철-탄소 평형도(철-탄소 상도)는 온도와 탄소 함량에 따른 Fe-C 합금 미세조직 상태 그래픽 표현.

공석강 탄소%는?

0.8% C 강 = 공석강. 실온 평형 미세조직 = 펄라이트.

마일드강(저탄소강)이란?

철-탄소 페로우스 금속. 저가, 일반 엔지니어링 적합 특성. 고철분으로 양호 자성→강자성(Ferromagnetic).

강철 구성은?

철-탄소 합금, 탄소 최대 2%(초과 시 주철). 세계 인프라·산업 최다 사용 소재. 바늘~유조선까지 제작.

철-탄화철 선도 A₀ 온도 의미는?

A₁선은 공석 변태 온도선, 평형 조건서 FCC 철 존재 최저 온도. A₁ 바로 위서 미세조직 약 25% 오스테나이트, 75% 페라이트.

철-탄소 선도 임계 온도란?

아초석강(하공석강)서 γ+α/γ 상경계 온도, 탄소 함량 함수. 0% C서 910°C→0.76% C서 727°C 감소. 아초석강 상임계온도(Upper Critical Temperature)라고도 함.

공석 변태 온도(Eutectoid Temperature)는?

공석 반응: 1개 고상→2개 다른 고상 변태. Fe-C계서 ~0.8 wt% C, 723°C 공석점. 평탄탄소강서 공석 온도 바로 위 상 = 오스테나이트(γ).

철-탄소 선도 중요성은?

강철·주철 다양한 상 이해에 널리 쓰임. 둘 다 철-탄소 혼합물, 미량 원소 포함.

탄소는 FCC인가?

탄소는 BCC보다 FCC 상(선도상 'γ' 영역)에서 더 잘 고용됨. 탄소% 따라 FCC 상(또는 액체 철) 냉각 시 α-철, 탄소강(펄라이트), 주철 형성.

BCC vs FCC 구별법은?

가장 직접 차이: 원자 배열. FCC: 8 모서리 + 6 면 중심에 원자. BCC: 8 모서리 + 정육면체 체심에 원자.

강철은 BCC인가 FCC인가?

α상=페라이트. 페라이트는 강철 흔한 구성상, 체심입방(BCC) 구조[FCC보다 충진율 낮음].

철-탄소 평형이란?

평형 조건서 0.8% C 이하 Fe-C 합금에 선석출 페라이트 형성. 순수 철서 910°C서 반응, Fe-C 합금서 910~723°C 구간서 발생.

철-탄소 선도 펄라이트란?

펄라이트 = 시멘타이트+페라이트 공석 혼합물. Fe-Fe₃C 선도는 진짜 평형 아님. 탄화철 불안정상으로 장시간 열처리 시 철+흑연(탄소) 분해.

철-탄소 선도 페라이트란?

페라이트 = α 고용체. 소량 탄소 α(BCC)철 고용 간극 고용체. 최대 고용도 723°C서 0.025% C, 상온 0.008% C. 선도상 가장 부드러운 조직.

거의 순수 철 상은?

순수 철(α-철, 페라이트) 910°C 이상 가열 시 결정 구조 변화→γ-철(오스테나이트) 형성.

ACM 선이 A₃ 선보다 가파른 이유?

Acm 선 훨씬 가파름→상용 강철 선석출 시멘타이트량 극소. 하지만 이 시멘타이트 완전 용해·오스테나이트 완전 균질화 위해 과고온 가열 필요.