철-탄소 평형 상태도 완벽 해설: 평형, 용도, 주요 상(Phase) 총정리

이 글에서는 철-탄소 평형 상태도, 평형 상태도의 용도, 철-탄소 평형 상태도의 유형, 철-탄소 상 평형 상태도와 관련된 다양한 상(Phase)과 용어에 대해 논의합니다.

상 평형 상태도란?

상 평형 상태도는 다양한 온도, 압력, 화학적 조성 조건에서 합금에 존재하는 상(Phase)들을 그래픽으로 표현한 것입니다.

금속 합금의 응고 과정은 평형 상태도를 통해 명확히 이해할 수 있습니다. 이들은 온도와 농도 변화에 따른 상태 변화를 그래픽으로 표현한 것입니다. 이 도표는 합금의 성질과 구성, 주어진 시스템에서 상의 양과 조성을 나타내므로 조직도(Constitution Diagram) 또는 상도(Phase Diagram)라고도 합니다.

평형 상태도의 특성과 용도

평형(Equilibrium)은 한 방향으로 진행되는 공정의 결과로 시스템에서 발생하는 변화가, 시스템에서 공정의 역방향으로 인한 변화로 완전히 보상됨을 의미합니다. 따라서 원자 운동의 동적 평형 상태에서 결과가 0인 조건으로 간주됩니다.

실험 작업 중 온도 또는 조성 변화 속도가 극히 느려, 변수(온도 등)가 다시 변경되기 전에 합금이 "안정 상태"에 도달하게 했습니다. 따라서 변화가 아닌 정지 상태의 조건입니다.

평형 상태도는 다음을 나타냅니다:

1. 고체 합금이 녹기 시작하고 완전히 녹는 온도.

2. 조성 또는 온도 변화의 결과로 발생할 수 있는 상 변화.

평형 상태도가 나타내는 것

이 도표는 두 개 이상의 상이 평형 상태로 공존하기에 적합한 조건을 설명합니다. 예를 들어, 물의 상 평형 상태도는 물이 세 가지 다른 상으로 동시에 공존할 수 있는 점(삼중점)을 보여줍니다. 이는 어는점 바로 위(0.01°C)와 0.006기압에서 발생합니다.

야금학에서 평형 상태도의 용도

• 응용 요구 사항에 기반한 신규 합금 개발.
• 이들 합금의 생산.
• 이 신규 합금의 화학적, 물리적, 기계적 특성을 개선하기 위한 적절한 열처리 절차 개발 및 구현.
• 이 신규 합금 사용 중 발생하는 문제 해결로 제품 예측성 향상.

철-탄소 평형 상태도

철-탄소 평형 상태도(철-탄소 상도라고도 함)는 온도와 탄소 함량에 따른 합금 철-탄소(Fe-C)의 미세 조직 상태를 그래픽으로 표현한 것입니다.

철-탄소 상도는 강과 주철의 다양한 상을 완전히 이해하는 데 일반적으로 사용됩니다. 강과 주철은 모두 철과 탄소의 합금입니다. 또한 두 합금 모두 미량 원소를 소량 함유합니다.

그래프는 꽤 복잡하지만, Fe₃C(시멘타이트)까지로 조사를 제한하므로 최대 6.67중량% 탄소까지만 살펴봅니다.

철-탄소 평형 상태도의 유형

이원계 철-탄소 평형 상태도는 강과 주철의 기초입니다. 순수 철에서 시멘타이트(탄소 6.67%)까지의 조성을 가진 합금에서 발생하는 변태를 다룹니다. 철-탄소 평형 상태도에는 두 가지 버전이 있습니다:

1. 철-시멘타이트계. 2. 철-흑연계.

이 두 시스템은 냉각 속도에 따라 달라집니다. 급냉은 시멘타이트를 생성하며 이를 철-시멘타이트계라고 합니다. 이 시스템에서는 응고 상에서 형성된 구조가 충분히 완전한 평형에 도달하지 못합니다. 따라서 철-시멘타이트계는 준안정(Metastable)계입니다.

반면 서냉은 흑연을 생성하며 철-흑연계라고 합니다. 응고 상에서 형성된 구조가 충분히 완전한 평형에 도달합니다. 따라서 이는 안정(Stable)계입니다.

철-탄소 평형 상태도상의 철강 합금 유형

철-탄소 상도의 X축 중량% 눈금은 0%에서 6.67% 탄소까지입니다. 탄소 함량이 최대 0.008중량%까지는 단순히 철 또는 순철로 불립니다. 상온에서 페라이트(Ferrite) 상태입니다.

강(Steel)은 탄소 함량 0.008~2.14% 범위의 철-탄소 합금입니다. 이 범위 내 강종은 저탄소강(연강), 중탄소강, 고탄소강으로 알려져 있습니다.

탄소 함량이 2.14%를 초과하면 주철(Cast Iron) 단계에 도달합니다. 주철은 매우 단단하지만 취성이 심해 용도와 성형 방법이 심각하게 제한됩니다.

철-시멘타이트계

서로 다른 탄소 함량 강의 시간-온도 가열 곡선을 만들고 해당 임계점을 도표로 그리면 Fig. 2.14와 유사한 도표를 얻습니다. 이 도표는 서냉 조건에서만 적용되며 부분적 철-탄소 상도로 알려져 있습니다. 이 도표를 참조하면 어떤 탄소강에 대해서도 적절한 담금질 온도를 쉽게 관찰할 수 있습니다. Fig. 2.14에서 PSK 선상의 임계점은 A₁, GS 선상의 것은 A₃, SE 선상의 것은 Acm으로 표시됩니다.

철-탄소 평형 상태도 상세 해설

오스테나이트 (Austenite)

오스테나이트는 γ(감마)철로 알려진 특정 형태의 철에 탄소 및 기타 성분이 고용된 고체 용액입니다. 0.20% 탄소강을 약 850°C로 가열한 예를 들어보겠습니다. Ar₃점(GS선) 이상에서 이 강은 감마철에 탄소가 고용된 고체 용액(간격 고용체)이며 오스테나이트라고 부릅니다. 면심입방 격자이며 비자성입니다.

일반 오스테나이트는 1130°C에서 약 2% 탄소까지 함유할 수 있습니다. 이 강을 냉각하면 Ar₃점(GS선) 아래에서 철 원자가 체심입방 격자를 형성하기 시작합니다. 새로 형성되는 이 구조를 페라이트(Ferrite) 또는 α철이라고 하며, 상온에서 최대 0.008% 탄소를 함유한 α철 내 탄소 고용체입니다.

강을 Ar₁(PSK선)까지 냉각하면 추가 페라이트가 형성됩니다. Ar₁선에서 남은 오스테나이트는 펄라이트(Pearlite)라는 새로운 구조로 변태합니다. 펄라이트라는 이름은 진주 같은 광택에서 유래했습니다. 페라이트와 시멘타이트의 교대 판상으로 구성되며 약 87% 페라이트를 함유합니다. 펄라이트는 미세-조립 판상 또는 입상 구조일 수 있습니다. 이 물질은 강하며 절삭 공구로 비교적 잘 절삭 가능합니다(강 내 펄라이트 성분은 가공 가능).

공융강 (Eutectoid Steel)

강의 탄소 함량이 0.20% 이상으로 증가하면, 오스테나이트에서 페라이트가 처음 석출되는 온도가 낮아져, 약 0.80% 탄소(점 S)에서 오스테나이트에서 자유 페라이트가 전혀 석출되지 않게 됩니다. 이 강을 공융강이라 하며 100% 펄라이트입니다.

공융점 (Eutectoid Point)

공융점이란?

앞서 언급했듯, 어떤 금속에서든 공융점은 고체 용액에서 변화가 일어나는 최저 온도입니다.

강의 탄소 함량이 공융점(0.8% 탄소)보다 크면, 철-탄소 상도에서 Acm(S선)으로 표시되는 새로운 선이 관찰됩니다. 이 선은 페라이트 대신 철 탄화물이 오스테나이트에서 처음 석출되는 온도를 나타냅니다.

철 탄화물(Fe₃C)을 시멘타이트(Cementite)라고 합니다. 극도로 단단하고 부서지기 쉬우며 평행 판상(판상 층), 구형 입자(구상화), 펄라이트 입자를 감싸는 엔벨로프 형태로 나타납니다. C점에서 탄소 4.3%를 함유한 공융 혼합물을 레데뷰라이트(Ledeburite)라고 합니다. 이는 서냉 합금에서는 드물게 보이는데, 불안정한 성질로 응고 후 냉각 중 다른 상으로 분해되기 때문입니다.

아공융강과 과공융강

0.80% 미만 탄소를 함유한 강을 아공융강(Hypoeutectoid), 0.8% 이상 탄소를 함유한 강을 과공융강(Hypereutectoid)이라고 합니다. 이 용어는 일반 강과 저합금강에만 적용됩니다. 고합금강에서는 공융 조성이 변하고 구조가 존재하지 않을 수도 있습니다.

일반 평형 상태도는 사실 철과 철 탄화물(시멘타이트) 사이의 준안정 평형을 나타냅니다. 시멘타이트는 준안정이며, 진정한 평형은 철과 흑연 사이에 있어야 합니다.

주철(2~4중량% C)에서는 흑연이 광범위하게 발생하지만, 강(0.03~1.5중량% C)에서는 이 평형 상을 얻기 어렵습니다. 따라서 철과 철 탄화물 사이의 준안정 평형을 고려해야 하는데, 이는 실제 강의 거동과 관련이 있기 때문입니다.

철-흑연계

철-흑연계

이미 언급했듯 철 탄화물(시멘타이트)은 준안정상이지만, 정상 조건에서는 영구적으로 지속되는 경향이 있습니다. 시멘타이트가 분해될 때는 다음 반응에 따라 분해됩니다:

Fe₃C ⟶ 3Fe + C

안정 상에서는 자유 탄소 또는 흑연이 시멘타이트로 알려진 상 대신 발생합니다. 약간의 과냉 상태에서 주철이 액체 상태로부터 응고될 때 흑연이 형성됩니다. 서냉은 흑연화(Graphitisation)을 촉진합니다. 급냉은 흑연화를 부분적으로 또는 완전히 억제하여 시멘타이트 형성을 유도합니다.

철-흑연계(점선)는 Fig. 2.14에 표시되어 있습니다. 중량 기준 3.5% 탄소를 함유한 탄소 합금의 경우를 예로 들어보겠습니다.

1점에서 합금은 액체 상태입니다. 2점(냉각선)에서 발생하는 반응은 다음과 같이 표현할 수 있습니다:

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> 2점과 3점 사이에서, 오스테나이트 내 과잉 탄소가 시멘타이트가 아닌 자유 흑연으로 석출됩니다. 3점에서 공융 변태가 발생합니다. 이는 다음과 같이 표현됩니다:

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공융 변태 메커니즘은 단일 고체 상을 원래와 조성이 다른 두 개의 상으로 변환해야 합니다.

철의 공융 분해를 예로 들면, 0.8% C를 함유한 오스테나이트가 페라이트(거의 탄소를 함유하지 않은 철)와 시멘타이트(Fe₃C, 25 at% 탄소 함유)로 변합니다. 따라서 탄소 원자가 확산하여 Fe₃C를 형성하고 페라이트를 남겨야 합니다. 오스테나이트 결정계에서 작은 페라이트와 시멘타이트 판상의 핵이 형성되고, 계면 바로 앞에서 매우 국소적인 규모로 탄소 확산이 일어납니다(아래 개략도).

이렇게 판상이 성장하며 오스테나이트를 소비하여 펄라이트를 형성합니다. 흑연화 공정은 냉각 속도 조절과 금속 기지의 적절한 합금화로 제어됩니다.

철-탄소 평형 상태도에서 사용되는 용어

공융점 (Eutectic Point)

어떤 금속에서든 공융점은 고체 용액에서 변화가 일어나는 최저 온도입니다.

공융 반응은 이 점들에서 발생하며, 액체 상이 두 고체 상의 혼합물로 응고됩니다. 이는 공융 조성의 액체 합금이 공융 온도까지 완전히 냉각될 때 발생합니다.

공융 합금은 이 점에서 형성되는 합금입니다. 이 점의 좌우에 있는 합금은 각각 아공융 합금과 과공융 합금으로 불립니다('hypo'는 그리스어로 '미만', 'hyper'는 '초과'를 의미).

오스테나이트 (Austenite)

오스테나이트, γ(감마)철로 알려진 특정 형태의 철에 탄소 및 기타 성분이 고용된 고체 용액.

이 상은 FCC Fe에 탄소가 고용된 고체 용액으로 최대 용해도는 2.14% C입니다. 더 가열하면 1395°C에서 BCC 페라이트로 변환됩니다. γ-오스테나이트는 공융 온도(727°C) 이하에서는 급냉하지 않는 한 불안정합니다.

α철 또는 페라이트 (Alpha Iron or Ferrite)

저온과 저탄소 함량에서 존재하는 α-페라이트는 BCC Fe에 탄소가 고용된 고체 용액입니다. 이 상은 상온에서 안정합니다. 그래프에서 Y축이 왼쪽, A₂가 오른쪽에 있는 왼쪽 가장자리의 얇은 영역으로 볼 수 있습니다. 이 상은 768°C 이하에서 자성입니다.

최대 탄소 함량은 0.022%이며, 그래프에 표시된 대로 912°C에서 γ-오스테나이트로 변환됩니다.

시멘타이트 (Cementite)

시멘타이트는 이 합금의 준안정 상으로 고정 조성 Fe₃C를 가집니다. 상온에서 철과 탄소(흑연)로 극히 느리게 분해됩니다.

이 분해 시간은 길며, 상온에서 응용 수명보다 훨씬 깁니다. 고온 및 특정 합금 원소 첨가 등 다른 요인들이 흑연 생성을 촉진하여 이 분해에 영향을 줄 수 있습니다.

시멘타이트는 단단하고 부서지기 쉬워 강철 보강에 이상적입니다. 그 기계적 특성은 미세 조직에 의해 결정되며, 이는 페라이트와의 혼합 방식에 따라 결정됩니다.

철-탄소 상도와 관련된 모든 용어, 다양한 상, 이해를 돕기 위한 용어들을 다루었습니다. 철-탄소 평형 상태도에 대한 이 글이 도움이 되셨기를 바랍니다. 아래 댓글로 피드백을 남겨주세요.