Fe3C 평형 상태도

◈ 상태도 관련 용어 정리 ◈ -중량농도(wt%) : 중량 비 ①1계에서 물리화학적으로 균일한 부분 1. 계(System) 한 물질 또는 몇 개의 물질의 집합이 외부와 관계없이 독립해서 한 상태를 이루는 것 예) 1성분계(1원계), 2성분계(2원계) 2. 성분(Component) 1계를 구성하고 있는 물질 예) Cu-Ni계 : Cu와 Ni이 성분 3. 농도(Concentration), 조성(Composition)   1계에서 성분 상호간의 관계분량 즉 상호간의 비율   -중량농도(wt%) : 중량 비     -원자농도(at%) : 원자수의 비 4. 상(Phase) ①1계에서 물리화학적으로 균일한 부분 예) 물+기름 : 2성분계 2상, 물+에틸알콜 : 2성분계 1상   ②순 금속, 고용체(Solid solution), 금속간화합물(intermetallic compound) -용체(Solution) : 1물질 중에 타 물질이 용해되어 균질한 물질을 만들고 있는 것 액체인 경우는 solution(liquid solution), 고체인 경우는 solid solution이라 함 -금속간화합물 : 두 가지 이상의 금속원소가 간단한 정수비로 결합된 화합물 보통의 합금인 고용체와는 달리, 결정구조나 물리화학적 성질이 그 성분원소와 명확히 다름, 또한 일정한 녹는점을 가진 것

5. 상변태(Phase Transformation) 한 결정 구조에서 다른 결정 구조로 바뀌는 것 보통 1개의 상은 처음부터 화합물인 경우와 용체인 경우로 나뉨 6. 변태점 상의 변태가 일어나는 온도 예)순철의 변태 A3변태 A4변태 α - Fe ------> γ - Fe ------> δ - Fe (BCC) 912℃ (FCC) 1394℃ (BCC) 7. 평형 (Equilibrium) 1계에서 압력, 온도의 변화가 없는 경우 계의 상태가 시간이 경과해도 변화하지 않는 안정한 상태   -상태도 : 1계에 있어서 임의의 농도, 온도, 압력에서 평형상태에 있는 각 상의 종류와 상호량을 도시한 것 8. 상률(Phase rule) 계의 상태를 변화 시키지 않고 그 값을 독립적으로 자유로이 변화 시킬 수 있는 자유도를 규정한 법칙 -자유도의 변수 : 압력, 온도, 성분의 종류와 그 조성

◈ 평형 상태도 ◈ 1. 평형상태도 (equilibrium phase diagram) 온도, 압력, 성분농도가 변화하는데 따라서 합금의 상이 어떠한 상태로 되는 가를 나타내는 그림. 즉, 평형적으로 존재하는 합금의 상의 영역을 나타내는 것이 평형 상태도이다. 2. 고용체의 평형상태도 ①액상선(Liquidus) : 곡선 A'C2D2B'이 액상선이며 이 선에서 초정(初晶)이 검출되는 변태개시 온도곡선이다. ②고상선(Solidus) : 곡선 A'C3D3B'이 고상선이며 이 선에서 액체에서 고체로의 변태가 완료된다.

◈ Fe-Fe3C 평형상태도 ◈ 6.67%C까지의 탄소를 가지는 Fe-C 합금을 매 우 서냉 시킬 때 온도에 따라서 존재하는 상영역을 나타낸 그림. 2. 종류 ① Fe-Fe3C계 :Cementite, 시멘타이트 (실선) ② Fe-C계 :Graphite, 흑연(점선) 시멘타이트로 부르는 Fe3C는 금속간화합물로평형상이 아닌 준평형상이기 때문에 이 상태도는 엄밀하게 말하면 평형 상태도가 아니며, 어떤 조건하에서 시멘타이트는 더욱 안정한 상인 철과 흑연으로 분해 될 수 있다. 이러한 이유로 인해서 Fe- Fe3C계 상태도는 준 안정 상태도이다. 그러나 Fe3C는 한번 형성되기만 하며 실질적으로 매우 안정하게 존재함으로 평형상으로 간주된다.

4. Fe-C계 상태도에서 각 선 및 점이 가지는 의미 A 순철의 응고점( 1539℃) AB δ고용체의 액상선 (liquidus line, 초정선), 용액에서 δ고용체가 정출하기 시작하는 온도 AH δ고용체의 고상선(solidus line), 탄소함유량 0.1%이하의 강에서 δ고용체의 정출 완료 온도 BC γ고용체의 액상선, 융액에서 γ고용체가 정출하기 시작하는 온도 JE γ고용체의 고상선, γ고용체의 정출 완료 온도 HJB 포정선(peritectic line)이며, 일정온도(1490℃)에서 탄소함유량 0.1%~0.5%사이의 강에서는 다음 포정 반응을 일으킴 [δ고용체]H + (융액)B ↔[γ고용체]J 이 반응은 3상 공존이므로 일정온도에서 진행됨 N 순철의 A4 변태점 ([δ]N ↔[γ]N)(1400℃) NH δ고용체가 γ고용체로 변태하기시작하는 온도 NJ δ고용체가 γ고용체로 변태하는 것이 끝나는 온도, 탄소함유량의 증가에 따라서 A4변태 개시점과 완료점 은 상승함 CD cementite (Fe3C)의 액상선, 융액에서 Fe3C가 정출하기 시작하는 온도 E γ고용체에 대한 C의 포화량(2.0%)를 표시함. γ고용체를 austenite라 부름. C F-C계 상태도의 공정점, 탄소량 4.3%, 온도 1130℃ ECF 공정선, 탄소함유량 2.0% ~ 6.67%까지 ES Fe3C의 초석선, γ고용체에서 Fe3C가 석출하기 시작하는 온도, Acm선 G 순철의 A3 변태점 즉 [α]↔(γ) (910℃)

GS α고용체의 초석선, 강의 A3변태점에 해당하며 냉각시에 그 온도에 달하면 γ고용체에서 α고용체 가 석축하기 시작함. 이 점들은 탄소함유량의 증가에 따라서 강하하여 C 0.8%에서 A1점(732℃) 과 합치됨. GP C 0.025%이하의 합금에서 γ고용체에서 α고용체가석출 완료하는 온도 M 순철의 A2 변태점 MO 강의 A2 변태선, 온도 768℃ S 공석점, 723℃, 약 0.8%C이고, γ고용체에서 α고용체와 Fe3C가 동시에 석출하여 pearlite라고 부르는 공석강을 만드는 점 P α고용체의 탄소포화점, 탄소량 0.025%, α고용체를 ferrite라 부름 PSK A1변태선 또는 공석선, 온도 723℃, 탄소량 0.025% ~ 6.67%까지이며, 이 사이에서 Fe-C 합금은 공석 반응을 함 PQ α고용체의 탄소용해도 곡선이고 α철 중에 고용할 수 있는 C의 양은 온도강하에 따라서 감소하여 상온에 서 0.08%정도 임

5. Fe-C계 상태도에서 각 구역의 조직과 결정구조 <각 구역의 조직 성분> 구역 조직성분 Ⅰ 용액 Ⅶ Fe₃C+용체 Ⅱ δ고용체+용액 Ⅷ γ고용체+Fe₃C Ⅲ δ고용체 Ⅸ α고용체+γ고용체 Ⅳ δ고용체+γ고용체 Ⅹ α고용체 Ⅴ γ고용체 Ⅺ α고용체+Fe₃C Ⅵ γ고용체+용액 <조직과 결정구조> 기 호 명 칭 결 정 구 조 α α ferrite B.C.C γ austenite F.C.C δ δ ferrite Fe3C cementite or 탄화철 금속간 화합물 α+Fe3C pearlite(공석조직) α와Fe3C의 기계적 혼합 γ+Fe3C ledeburite(공석조직) γ와Fe3C의 기계적 혼합

① α 페라이트(α-Ferrite) ② 오스테나이트(Austenite) - γ철에 탄소가 고용되어 있는 고용체 - α철에 탄소가 고용되어 있는 고용체, α 페라이트 또는 단순히 페라이트라고 함 - BCC 결정구조 - 탄소고용도 최대 탄소고용도는 723℃에서 0.02% (페라이트에 고용할 수 있는 탄소량은 매우 적음) 온도가 내려감에 따라서 감소(상온 0℃에서 0.008%정도) 탄소원자는 철 원자에 비해서 비교적 원자크기가 작으므로 철의 결정격자내의 침입형 자리에 위치 ② 오스테나이트(Austenite)    - γ철에 탄소가 고용되어 있는 고용체 - FCC 결정구조 - 탄소고용도 최대 탄소고용도는 1148℃에서 2.08% α 페라이트보다 매우 큼. 온도가 내려감에 따라서 감소(723℃에서 0.8%) α 페라이트에서와 마찬가지로 오스테나이트 중의 탄소는 철의 결정격자내의 침입형 자리에 위치

③ δ 페라이트(δ-Ferrite) ④ 시멘타이트(Cementite) - δ 철에 탄소가 함유되어 있는 고용체 - BCC 결정구조 - 탄소고용도 최대 탄소고용도는 1495℃에서 0.09% ④ 시멘타이트(Cementite)    - Fe-C의 금속간화합물인 철탄화물(Fe3C) - 6.67%의 탄소 / 93.3% 철(Fe) - 사방정 결정구조 (단위격자 당 12개의 Fe원자와 4개의 C원자를 가짐) - 매우 경하고 취약한 성질  

① 공석반응(Eutectoid Reaction) 6. 불변반응 ① 공석반응(Eutectoid Reaction) - 어떤 일정한 온도에서 한 개의 고용체로 부터 동시에 다른 두 개의 고상이 석출되는 현상 - 공석반응 : γ -> α + β - Fe-Fe3C 상태도에서의 공석반응 0.8% C의 조성을 갖는 γ 오스테나이트가 723 ℃의 일정한 온도에서 0.02% C의 조성을 갖는 α 페라이트와 6.67% C의 시멘타이트( Fe3C) 로 분해되는 반응 - 공석강 : 0.8% C의 조성을 갖는 강 - 공석조직 α (페라이트) + Fe3C(시멘타이트) => Pearlite (펄라이트) 723 ℃ α 페라이트 + 시멘타이트 (0.02%C) (6.67%C) γ 오스테나이트 (0.8%C)

- 용융합금이 냉각 할 때 일정한 온도(공정점)에서 두 고상 ② 공정반응(Eutectic Reaction) - 용융합금이 냉각 할 때 일정한 온도(공정점)에서 두 고상 이 동시에 정출되는 현상 - 공정반응 : L -> α + β - Fe-Fe3C 상태도에서의 공정반응 4.3%C의 조성을 갖는 액상이 1148℃의 일정한 온도에서 2.08%C의 조성을 갖는 γ 오스테나이트와 6.67%C의 시멘 타이트로 변화하는 반응 - 공정점: 공정반응이 일어나는 조성과 온도 공정조직 : 층상구조 1148 ℃ γ 오스테나이트 + 시멘타이트 (2.08%C) (6.67%C) 액상 (4.3%C)

- 하나의 고상(α)과 하나의 액상(L)이 반응하여 새로운 고상 ③ 포정반응(Peritectic Reaction) - 하나의 고상(α)과 하나의 액상(L)이 반응하여 새로운 고상 이 (β ) 정출되는 항온변태 반응 - Fe-Fe3C 상태도에서의 포정반응 0.53%C의 조성을 갖는 액상과 0.09%C의 조성을 갖는 δ 페라이트가 1495℃의 일정한 온도에서 0.17%C의 조 성을 갖는 γ 오스테나이트로 변화하는 반응 - 포정조직: α상 주위에 β가 둘러싸는 듯한 조직 1148 ℃ 액 상 + δ 페라이트 (0.53%C) (0.09%C) γ 오스테나이트 (0.17%C)

◈ 탄소강의 변태 ◈

<Fe-Fe3C계 평형상태도와 변태조직도> <공석강(共析鋼, Eurectoid Steel)> -공석반응에 의해 형성 0.8%C를 함유하는 조성의 탄소강(S점)이 723℃이하로 냉각될 때 오스테나이트가 페라이트와 시멘타이트로 분 해되는 반응 -반응이 일어나는 온도:A1선 (723℃) -공석변태, 펄라이트(pearlite)변태, A1변태 -아공석강(亞共析鋼, Hypoeutectoid Steel) : 0.8%C 이하 순철이 γ 철로 변태하는 온도는 910℃(Ac3점)이지만 아공 석강이 γ 오스테나이트 단상으로 변태하는 온도는 GS선 이상이므로 이 GS선을 A3선이라고 한다.   -과공석강(過共析鋼, Hypereutectoid Steel) : 0.8%C 이상 과공석강에서는 SE선 이상으로 가열될 때 단상의 오스테나이트 로 변태하므로 이 SE선을 Acm선이라고 부른다. <Fe-Fe3C계 평형상태도와 변태조직도>

e f 1. 탄소강의 서냉시 조직변화 ① 공석강 공석탄소강 오스테나이트 공석온도 직상, 오스테나이트 ① 공석강   가열(750 ℃) 공석탄소강 (0.8%C) 오스테나이트 서냉 공석온도 직상, 오스테나이트 e α 페라이트+시멘타이트(Fe3C) 페라이트와 시멘타이트가 교대로 반복되어지는 층상조직(lamellar structure)을 형성하고 있으며, 그 형태가 진주(pearl)와 비슷하기 때문에 펄라이트(Pearlite)라고 부른다.   f

c d b ② 아공석강 아공석탄소강 (0.8%C) 오스테나이트 서냉 가열(900 ℃) ② 아공석강   펄라이트를 구성하고 있는 페라이트는 초석 페라이트와 구별하기 위해서 공석 페라이트(eutectoid ferrite)라고 한다. 가열(900 ℃) 아공석탄소강 (0.8%C) 오스테나이트 서냉 약 775℃, 오스테나이트 결정립계에서 초석페라이트 핵생성 b 오스테나이트 속으로 초석페라이트 계속 성장 c 페라이트가 형성된 지역의 과잉탄소는 오스테나이트-페라이트 계면으로부터 오스테나이트 쪽으로 밀려나므로, 남아있는 오스테나이트의 탄소량은 점점 많아지게 된다. 따라서 A1변태온도 직상인 c점에 도달되면 남아 있는 오스테나이트의 탄소량은 0.4%에서0.8%로 증가하게 된다. d A1 변태온도 (723℃ )직하, 오스테나이트 ---->펄라이트 (공석반응)

j k h ③ 과공석강 과공석탄소강 (0.8%C) 오스테나이트 서냉 가열(950 ℃) ③ 과공석강   펄라이트를 구성하고 있는 시멘타이트는 초석 시멘타이트와 구별하기 위해서 공석 시멘타이트 (eutectoid cementite)라고 부른다. 가열(950 ℃) 과공석탄소강 (0.8%C) 오스테나이트 서냉 오스테나이트 결정립계에서 초석시멘타이트 핵생성 h 초석시멘타이트 계속 성장-오스테나이트 내의 탄소 고갈 j 이 냉각과정이 평형냉각이라고 가정할 때에 j점의 온도에서 남아 있는 오스테나이트의 탄소량은 1.2%에서 0.8%로 감소하게 될 것이다. k A1 변태온도 (723℃ )직하, 오스테나이트 ----->펄라이트 (공석반응)

2. 강의 열처리에 중요한 임계온도 A1 페라이트-시멘타이트 영역과 오스테나이트와 페라이트 또는 오스테나이트와 시멘타이트 영역간의 경계 *강의 가열시 변태온도* 723 – 10.7Mn – 16.9Ni + 29Si + 16.9Cr + 6.38W + 290As A3 ② A3 페라이트 오스테나이트와 오스테나 이트 영역간의 경계 *강의 가열시 변태온도* 910 - 203√C – 15.2Ni + 44.7Si + 104V + 31.5Mo + 13.1W A1