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[Equilibrium Microstructural Development] |
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5.1 상법칙 |
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-상(phase) : 화학적으로 균일한 미세구조의 부분.
-성분(component) : 상을 형성하는 구분된 화학물질(화합물)의 종류.
-자유도(degree of freedom) : 계에서 얻을 수 있는 독립변수의 수.
-인간이 조정할 수 있는 상태변수 : 온도, 압력, 조성
-Gibbs의 상 법칙(Gibbs phase rule)
F = C - P + 2
F : 자유도
C : 성분의 수
P : 상의 수
2 : 온도, 압력 두 개의 상태변수
일반적인 재료의 공정상 대기압 하에서 공정이 이루어진다면 압력의 변수가 없어지므로,
F = C - P + 1 |
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5.2 상태도(phase diagram) |
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-상태도 : 미세구조와 관련된 상태변수를 Gibbs의 상률을 통해서 도표로 나타낸 것.
a. 전율고용체
두 성분 금속의 전 혼합범위에서 고용체를 형성하는 경우의 상태도
L(A+B) → S(α)
상영역(phase field) ; 고체(solid phase), 액체(liquid phase), 고체+액체(solid + liquid phase)
선(line) ; 고상선(solidus line), 액상선(liquidus line)
지렛대법칙(lever rule) ; 뒤에서 기술
공액선(tie line) ; 두 상의 조성을 동시에 지나는 선.
불변점(invariant point) ; 어떠한 상태에서도 변하지 않는 점. 즉, 자유도가 0인 점.
-비평형응고
; 금속이 응고속도가 빨라 충분히 평형상태를 유지하지 못하면서 냉각될 때 이미 형성된 고체에서 확산의 속도가 늦어 평형상태의 균일한 조성을 갖지 못하고 부위에 따라 불균일한 조성을 갖게된다.
-편석(segregation)
; 비평형응고 결과 발생한 불균일조성.
-유핵조직(cored structure)
; 편석으로 grain의 내부와 외부의 조성이 경사를 가지며 다르게 갖는 조직.
-미세편석(microsegregation)
; 주조에서 종종 보이는 현상으로 수지상 사이의 짧은 거리에 걸쳐 나타나는 현상으로 용융온도가 낮은 원소가 최종적으로 응고하면서 수지상과 조성차가 발생하는 것.
-거대편석(macrosegregation)
; 주조에서 종종 보이는 현상으로 응고가 먼저 일어나는 주조체 외부와 늦게 일어나는 내부와의 조성차가 발생하는 것.
-균질화 열처리(homogenization heat treatment)
; 열을 가하여 확산에너지를 부여함으로써 미세편석조직 내에서 원소의 확산을 통해 평형상태를 유도하여 균질화하는 열처리.
b. 고용체가 없는 공정상태도
-특징
1. 비교적 낮은 온도에서 성분이 서로 용해되지 않는 순수한 고체의 두 영역이 존재한다.
2. 고상선은 공정온도(eutectic temperature)에 해당하는 수평선으로 나타난다.
3. 층상의 구조
eutektos(Greek) : 쉽게 녹는다
L(e) → S(A) + S(B) : 공정조성
L → S(A or B) + L → S(A) + S(B) : 비공정조성(아공정 / 과공정)
L(e) 공정조성의 액상
L 비공정조성의 액상
S(A) 순수한 A의 고상
S(B) 순수한 B의 고상
응고과정에서 용융온도가 높은 상이 먼저 응고되면 주변은 일시적으로 용융온도가 낮은 상이 풍부해져 낮은 용융온도상이 응고되어 층상구조가 된다.
c. 한율고용체를 갖는 공정상태도
고용체가 없는 공정상태도와 유사하나 고체상이 순수한 금속이 아니고 고용체가 되며 양 끝쪽에서는 각각 다른 고용체를 갖는 양상을 나타낸다.
L(e) → S(α) + S(β) : 공정조성
L → S(α or β) + L → S(α) + S(β) : 공정영역 내의 비공정조성
L → S(α or β) + L → S(α or β) → S(α) + S(β) : 고용체와 공정 사이영역
L → S(α or β) + L → S(α or β) : 고용체영역
L(e) 공정조성의 액상
L 비공정조성의 액상
S(α) 순수한 A와 순수한 B로 구성된 단일상의 고용체 α
S(β) 순수한 B와 순수한 A로 구성된 단일상의 고용체 β
d. 공석상태도
공석(eutectoid) ; "공정과 유사한".
액상·고상의 상변화가 아닌 고체상태 내에서 공정반응과 유사한 상변화 반응이 일어나는 것.
S(γ) → S(α) + S(β)
S(γ) 순수한 A와 순수한 B로 구성된 단일상의 고용체 γ
S(α) 순수한 A와 순수한 B로 구성된 단일상의 고용체 α
S(β) 순수한 B와 순수한 A로 구성된 단일상의 고용체 β
e. 포정상태도
-동질용융(melt congruently)
; 용융에 의해 형성된 액체가 그 액체를 형성한 고체와 동일한 조성을 갖는 현상.
-이질용융(melt incongruently)
; 용융에 의해 형성된 액체가 그 액체를 형성한 고체와 상이한 조성을 갖는 현상.
-포정(peritectic)
; 이질용융현상을 포함하는 반응. Greek "peritectic"은 근접용융(melt nearby)을 뜻한다.
AB → L + B
f. 일반적인 2원 상태도
-중간화합물, 금속간 화합물(intermetallic compound)
; 성분금속의 원자가 결정의 단위격자 내의 일정한 위치에 존재하여 단일물질과 같이 작용한다.
성분금속의 특성을 상실한다.
-일반상태도 : 일반 합금의 상태도는 위의 다루었던 상태도의 둘 이상의 조합으로 되어있다. |
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5.3 지렛대 법칙(The lever rule) |
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상태도 내에서 농도 및 양의 관계를 지렛대의 축으로부터의 길이(lever)와 질량균형(mass balance)의 원리로 설명한 법칙.
만약 A와 B로 이루어진 합금이 α, β 두 상을 만들 때 A의 함량이 x이면서,
α의 질량비가 mα이고, β의 질량비가 mβ이면, 총 질량은 (mα+mβ)로 1이 되고,
α 내의 A 함량이 xα이고, β 내의 A의 함량이 xβ인 경우,
A의 조성을 가지고 생각하면,
xαmα + xβmβ = x(mα + mβ)
xαmα + xβ(1 - mα) = x
xαmα + xβ - xβmα = x
mα(xα - xβ) = x - xβ
∴ mα = (x - xβ) / (xα - xβ) 반대로 mβ = (xα - x) / (xα - xβ)
마치 지렛대를 이용한 것과 같다.
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5.4 미세구조의 형성(서냉시)(Microstructural development) |
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서냉이란 조건은 곧 냉각과정 중에 항상 평형이 유지된다는 가정이다.
-전율고용
-공정
공정(eutectic)조성
과공정(hypereutectic)조성
아공정(hypoeutectic)조성
초정(proeutectic) ; 과공정이나 아공정 조성에서 액상과 고상이 공존하는 상에서 형성되어 큰 결정립을 이룰 때 액상 속에 묻혀 있는 먼저 응고한 결정.
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5.5 중요한 2원 상태도(Important binary phase diagram) |
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a. Fe-Fe3C계
실제는 Fe-C의 상태도이지만 철과 탄소간의 금속간 화합물인 cementite(Fe-Fe3C)의 생성이 빨라 순철과 cementite 간의 상태도를 많이 사용한다.
포정, 공정, 공석반응이 있다.
공정에 포함되는 구역(C의 함량 2%∼6.67%)은 주철의 구역이고 2% 이하는 강의 구역이다.
b. Fe-C계
냉각속도가 극도로 느려야만 Fe-C의 상태도를 구할 수 있다.
c. Al-Si계
공정계의 상태도. 일부 고용한계가 있다.
d. Al-Cu계
Cu의 고용한계 5.65%까지의 κ상 경계 근처에서 시효경화 성질을 이용한다.
κ상과 θ상의 공정구조 양상을 보인다.
e. Al-Mg계
f. Cu-Ni계
전율고용을 보여주는 전형적인 상태도
g. Cu-Zn계
황동의 조성은 α영역의 합금이다.
h. Pb-Sn계
한율고용체를 갖는 공정의 전형적인 상태도
i. Al2O3-SiO2계
세라믹 무기재료에서 가장 중요한 상태도
내화도가 큰 재료일수록 알루미나의 함량 증가
1587℃의 공정온도 구역 통과속도가 중요하다.
j. MgO-Al2O3계
spinel 구조를 가운데 두고 각각 periclase와 spinel, spinel과 알루미나의 2개의 공정상태도
k. NiO-MgO계
전율고용상태도
Hume-Rothery의 법칙을 만족한다.
l. CaO-ZrO2계
CaO를 약 10wt%(20 mol%) 첨가함으로써 액상까지 zirconia의 변태를 없애고 cubic 구조를 계속 유지할 수 있다(안정화).
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<HOMEWORK>
5.1-5 1성분계의 상태도 내에서 각 영역에서의 자유도
5.2-1 전율고용상태곡선(그림 5.5-11)에서 냉각에 따른 상과 농도의 변화 설명
5.3-1 그림 5.5-11에서 지정온도에서의 조성(지레법칙 이용)
5.4-3 서냉(평형)조건에서 그림 5.5-8의 주요온도에서의 조성 | | |
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5.1 상법칙