| ■ 평형상태도
그림 3-1은 Fe-C계 2원 합금 평형상태도이다. 실선은 Fe-Fe3C계, 점선은 Fe-흑연계이며, 이렇게 함께 나타낸 것은 복평형상태도라고 한다. 본 상태도는 순철과 순탄소를 원료로 하는 합금을 근거로 하여 만들어진 것이며, 옛적에 발표되어 있었던 상태도와는 수치가 상당히 다른 곳이 있다.
Fe에 6.68중량%의 C를 첨가하면 조직은 모두 Fe3C가 되어 버려서 그 이상 첨가해도 이미 합금으로서의 성질을 나타내지 않게 된다. 그림 3-1 Fe-C계 강의 평형상태도
3-1 주된 단상영역과 2상 영역
(a) BCEJ : 액상+γ, (b) JESGN : γ단상, (c) EFKS : γ+Fe3C, (d) GSP : γ+α,
(e) PKMO : α+Fe3C, (f) GPO : α단상
3-2 주된 상경계
(a) GS선 : γ단상영역에서 냉각된 합금이 이 곡선 이하의 온도가 되면 α를 석출하기 시작한다. 순철의 A3변태에 상당하므로 A3선이라고 부른다.
(b) ECF선 : 공정반응을 나타내는 선이며, 상률에 의해 일정온도를 나타낸다.
(c) SE선 : γ에 대한 Fe3C의 용해도 곡선이며, 통상 Acm선이라고 불린다. 이 선을 통과하여 온도가 상승 하강하면 γ중에서 Fe3C가 석출하든지 고용하든지 한다. E는 최대 고용도를 나타내는 선이다.
(d) PSK선 : 공정반응과 같은 형식이지만 고상 중에서 일어나는 반응이다. 이것을 공석반응이라 부른다. 이 반응에 대해서는 후술하겠지만 γ→α+Fe3C의 2상이 되므로 일정온도를 나타낸다.
(e) GP선 : P점 이하의 C 함유량을 갖는 합금은 이 선 직하의 온도에서 α단상이 된다.
(f) OP선 : α에 대한 Fe3C의 용해도 곡선으로 P는 최대 고용도를 나타내는 점이며, 고용도를 증가시키기 위하여 그 이상 온도를 올려도 γ만 나타날 뿐이다.
(g) FK선 : Fe3C의 조성선으로 온도를 올려도 화합물상이므로 조성은 변함없다.
3-3 A3변태선과 그 결정법
GS선은 이미 저술하였듯이 A3점이 C%와 함께 저온쪽으로 하강하는 것을 나타내는 A3변태선이다. 이 사실은 γ고용체 중의 C량이 증가할수록 그 fcc 구조의 안정성이 증가하는 것을 의미하고 있다.
그림 3-2는 열팽창법에 의한 A3점의 결정방법을 나타낸 것이다. 가열과 냉각으로 변태점에 차이가 나는 것은 물론 확산이 온도변화를 따르지 못하기 때문에 일어나는 현상이다. 실용적인 가열·냉각속도에서는 이 차이를 피할 수 없으므로 필요에 따라 가열 변태점을 Ac3, 냉각 변태점을 Ar3으로 구별한다. 이들 온도의 값은 당연히 가열·냉각속도에 따라 변화하는 성질인 것이다. A3점인 것을 강조하기 위해 Ae3(실제로는 측정 곤란)라 쓰는 경우도 있다. Ac3의 Ae3에 대한 차이는 적지만, Ar3의 속도 의존성은 크므로 차이가 나기 쉽다. 3-2 열팽창법에 의한 A3점의 결정법
3-4 공석변태와 펄라이트조직
공석변태는 고상에서 2종류의 고상이 동시에 석출하는 변태이며, 본 합금계인 경우는
γ(0.765%C) → α+Fe3C
가 된다. 상률에 의해 이 반응은 727℃의 일정온도로 진행된다.
지금 그림 3-3에서 0.765%의 C농도(이것을 공석조성)를 가진 γ고용체를 합금1로 하고 이것을 냉각하면 727℃에서 S점에 달한다. 이 점을 공석점이라 하고 이 온도를 공석온도 또는 A1변태점이라 부른다. 이 합금이 공석변태를 종료했을 때의 α량은 SK/PK, Fe3C량은 PS/PK이다. 이 비율은 실온에까지 내려도 거의 변하지 않는 것을 알 수 있다. 공석변태에서 생긴 조직은 펄라이트라 이름붙여져 판상인 α와 판상인 Fe3C가 서로 교대로 된 층상조직을 나타내고 있다. 그림 3-4에 펄라이트의 현미경 조직을 나타내었다. 적어도 400배 이상의 배율이 아니면 층상이 나타나지 않으므로 현미경 관찰시는 주의를 요한다.
공석조성(이전에는 0.78%C로 되어 있다.)을 기준으로 하여 강을 분류하면 편리하다. 즉 공석조성 이하의 강을 아공석강, 공석조성의 강을 공석강, 공석조성 이상의 강을 과공석강이라 한다.
다시 그림 3-3로 돌아가서 아공석강인 합금 2를 γ영역에서 냉각할 경우를 생각해보자. 온도 T1에서 b점은 2상 영역내에 있으며 조직은 γ에서 석출한 α가 bc/ac, 미변태의 γ는 ab/ac의 비율로서 이루어져 있다. 이 α를 γ에서 최초로 석출됐다는 의미로 초석 페라이트라 부른다. 온도가 더욱 내려가면 초석 페라이트량은 늘고 3-3 Fe-Cr계 평형상태도의 설명도
미변태의 γ량은 줄며 공석온도에 달했을 때의 조직은 0.022%C의 α가 dS/PS, 0.765%C의 γ가 Pd/PS의 비율로 되어 있다. 여기서 공석조성에 달한 미변태 γ만이 공석변태를 일으켜 펄라이트가 된다. 펄라이트 중의 α와 Fe3C의 비율은 공석간의 경 3-4 0.8%C 탄소강의 펄라이트 조직
3-5 아공석강이 서냉될 때의 조직의 변화
우와 같이 SK/PK와 PS/PK인데, 초석의 α를 함유한 조직 전체로서의 α는 dK/PK, 또 Fe3C는 Pd/PK의 비율이 된다. 온도가 T2로 내려가면 α는 fh/eh, Fe3C는 ef/eh가 되어 현미경으로는 관찰되지 않을 정도이지만 Fe3C의 양은 증가한다.
아공석강의 실온에서의 조직은 페라이트, 펄라이트 조직이라 불리고 있다. 그림 3-5는 아공석강의 조직이 형성되는 모습을 나타낸 것이다. C는 α에 거위 고용할 수 없으므로 초석 α가 성장함에 따라 밀려난 C 원자는 미변태 γ에 농축되며, 마침내 공석온도에서 공석조성에 달하게 된다. 그림 3-6은 0.41%C강의 조직이다. 흰 부분이 초석 페라이트이며, 검은 부분이 펄라이트이다.
그림 3-3에서 과공석강인 합금 3의 조직 형성은 합금 2와 유사하나 Acm선 이하에서 나오는 상은 초석 시멘타이트이며, 이 때문에 미변태 γ중의 C 농도는 감소하면서 공석온도에서 공석조성에 달한다. 실온조직은 초석 시멘타이트와 펄라이트로 이루어진다.
0.022%C 이하인 Fe-C합금이나 순철에서 공석변태 즉 A1점은 존재하지 않는다는 점에서 주의해야 한다. 예전에 순도가 낮은 철에 대해 열팽창시험을 하여 최초의 변태점에 A1이란 이름을 붙였다. 또 780℃ 부근에는 강자성에서 상자성으로 변하는 자기변태점이 존재하므로 이것에 A2라 이름붙였다. 그러나 그후의 연구에서 자기변태는 결정계의 변화를 수반하지 않는 것이 분명해져 A1 변태라는 명칭은 그다지 사용되지 않는다. 또 A1과 A2사이의 철은 β철이라 불리고 있었으나 이 호칭도 동시에 없어졌다. 이러하여 순철에는 A1, A2는 없고 α, γ, δ 순으로 된 셈이다. 3-6 0.41%C 탄소강의 페라이트, 펄라이트 조직
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