[열처리]철-탄소 평형상태도(Fe-Fe3C 상태도)

이번 포스팅은 강의 탄소함유량, 온도에 따른 상의 변화를 다룬 평형상태도를 알아보도록 하겠습니다.

열처리 관련 내용은 평형상태도에서 출발한다고 보면될 것 같습니다. 따라서 반드시 암기 혹은 숙지해야합니다.

평형상태도(equilibrium phase diagram)란?

여러 가지 조성의 합금을 용융 상태로부터 응고되어 상온에 이르기까지 상태의 변화를 나타낸 그림

출처:https://mechaniclove.com/wp-content/uploads/2017/12/phase_diagram_large.gif

철-탄소 평형상태도(Fe-Fe₃C 상태도)

강에 있어서 가장 중요한 합금 원소는 탄소이므로, 철-탄소 평형상태도를 중요하게 다룬다.

가로축은 탄소함유량을, 세로축은 온도를 나타낸다.

평형상태도는 강의 온도를 매우 천천히 가열하거나, 냉각시키면서 변하는 강의 상태변화를 나타낸다.

급격한 가열, 급격한 냉각으로 인한 강의 상태변화는 이후에 추가로 다루게 된다.(TTT curve)

페라이트는 철에 탄소가 침입한 고용체이나, 순수한 철로 보아도 무방할 정도이다(약 0.008% 의 탄소를 고용할 수 있다.)

철에 탄소의 함량을 늘리면, 철+탄소가 결합한 Fe₃C 가 생성되는데, 이를 시멘타이트라고 한다.

펄라이트는 페라이트와 시멘타이트의 층상의 형태(페라이트와 시멘타이트가 번갈아 가며 나타나는 구조)

아공석강 / 철에 탄소함유량이 0%~0.8%가 함유된 고체상(A₁ 변태온도 이하에서) : 페라이트(Ferrite) + 펄라이트(Pearlite)

공석강 / 철에 탄소함유량이 0.8%일때의 고체상(A₁ 변태온도 이하에서) : 펄라이트

과공석강 / 철에 탄소함유량이 0.8%~일때의 고체상(A₁ 변태온도 이하에서) : 펄라이트+시멘타이트(Cementite)

아공석강에서는 A₃변태온도 이상, 과공석강에서는 A_cm변태 온도 이상의 고체상을 오스테나이트라 하는데, 철에 탄소가 침임형 고용체로 존재하는 형태를 띈다.

공성강에서 오스테나이트의 틈자리에는 최대 0.8%까지 탄소가 침입형으로 존재할 수 있다.

탄소함유량 0.8%이면, 공성강이라 하고, 그것보다 적으면 아공석강, 그것보다 많으면 과공석강이라 한다.

(공석이라는 뜻이 1개의 고체상이 2개의 고체상으로 바뀌는 것을 의미하는데, 0.8% 탄소를 함유한 철을 A₃, A_cm 이상으로 가열 했다가 냉각할때  720도 근처에서 오스테나이트에서 펄라이트(페라이트+시멘타이트)로 변태하기 때문에, 이를 공석강이라 한다.)

출처:https://study.com/academy/lesson/interstitial-solid-solution-definition-rules-examples.html

아공석강 / A₃ 온도 이상으로 높였다가 냉각 시키면 오스테나이트 → 오스테나이트+페라이트 → 페라이트+펄라이트

공성강 / A₃, A_cm온도 이상으로 높였다가 냉각 시키면 오스테나이트 → 펄라이트

과공석강 / A_cm온도 이상으로 높였다가 냉각 시키면 오스테나이트 → 오스테나이트 + 시멘타이트 → 시멘타이트 + 펄라이트

(위의 3가지 경우 모두 성분상으로는 페라이트+시멘타이트의 조합이라고 볼 수 있다.

하지만 탄소함유량에 따라 페라이트, 시멘타이트, 그리고 페라이트 시멘타이트의 층상형태인 펄라이트가 차지하는 성분의 비율이 다르고, 단면 형상이 다르다.)

페라이트보다 오스테나이트에 탄소가 더 많이 침입할 수 있는 이유는 무엇인가?

BCC 구조인 페라이트는 4면체 틈자리나, 8면체 틈자리 모두 탄소가 침입하기에 좁다.

FCC 구조인 오스테나이트는 8면체 틈자리가 BCC 구조보다 크다.

→ 페라이트 보다 오스테 나이트에 더 많은 탄소가 침입형으로 고용 가능하다.

출처:https://www.physicsforums.com/attachments/phffccbcc-gif.16239/

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