꿀잼 기계항공공학

 안녕하세요! 공돌이 인생무상입니다. 이번 편에서는 드디어 Fe - C 상태도를

제대로 분석해보도록 해봅시다! 

** 본 포스팅은 Fundamentals of materials science and engineering( William D Callister 외 1인 저) 책에서 이미지를 가져왔습니다. 

Fe - C 상태도란?

바로 이 그림이 Fe - C 상태도입니다. 뭔가 많이 복잡해보이죠? 허허..그렇죠.

고등학생 시절, 대학교 교양 과학에서도 안나온 형태의 그래프인데... 

하지만 내용을 알고나면 그렇게 어렵지 않다는 것! 

 표의 가장 기본이 되는 축 방향에 대해서 설명드리면, X 축은 철과 탄소

혼합물의 탄소 비율을 표시하는 축이고 y 축은 철과 탄소 혼합물의 온도를 

표시한 것입니다.  강은 탄소 함유량이 0.03 ~ 2% 까지인 영역이니까 고 부분만 보면 될 것입니다. 나머지는 주철 영역이므로 주철 영역에 대해선 따로 다시 공부해보도록 합시다! 

x, y  축에 대한 설명과 함께 용어도 같이 간략하게 설명하면 좋을 것 같네요. 

L : 액체 상태의 철과 탄소 혼합물

δ :  δ 철이라고 불리는 상태의 철. 순수한 철이며 고온에서만 발생하는 철

γ : γ 철, 오스테나이트라 불리는 조직. 

α : α 철, 페라이트라 불리는 조직. 

Fe3C :  시멘타이트라 불리는 조직

철 조직은 각각 이름이 다르게 불리는데, 그 각각의 성질이 다르기 때문입니다. 

 이 그림은 다음과 같이 두 가지 영역으로 쪼개보면 쉽게 이해가 될 겁니다. 

왜 넓은 범위 중 두 영역만 설명하느냐? 강은 탄소 함유량이 2%인 부분까지이니까 여기 까지만 알아두면 되는 것입니다. 

 위 그림처럼 표시된 두 영역을 가지고 설명하면 좋을 것 같네요. 우선 첫 번째 영역에 대한 설명을 하려고 합니다. 요약부터 먼저 말씀드리면...

 - ① 영역에 대한 요약 -

     x 축 ( 탄소 함량) : 0~ 0.03% 사이

    철의 녹는점에 다다르는 수준의 높은 온도의 영역   

    δ 철 영역은 공학적으로 크게 의미있는 영역은 아님. 

 그럼 이제 자세한 설명을 해봐야겠네요! 

우선 ① 영역을 확대하면 위 그림과 같고요. 녹색으로 표시된 영역은 δ 철 영역이라하며 공학적  관점에서는 큰 의미가 없는 영역입니다. 왜? 저 영역은 고온에서만 존재하는 영역입니다. 우리가 쓸 철 - 탄소 혼합물은 실온에서 쓰일거잖아요? 실온으로 가면서 저 영역.. 그러니까 δ 철은 이미 다른 물질로 변해버렸기 때문에.. 실온에 쓰이는 철 - 탄소 혼합물은 아니며, 그렇기 때문에 공학적으로 의미가 없는 것이지요. 

  그리고 이 영역의 철에 들어있는 탄소의 함량은 전체 중량의 0~0.03% 정도 섞여 있습니다. 온도가 높은 순수한 철이며 , 온도가 낮더라도 순수한 철은 공학 재료로 거의 쓰지 않습니다.

 δ 철 영역의 오른쪽 위쪽은 δ 철과 액체가 섞여있는 영역이고요. 오른쪽 아래는

δ 철과 γ 철이 섞여 있는 영역입니다. 

 δ 철에 대해 간략히 설명을 드렸으니, 이제부터 중요해질 γ 철 영역에 대해서 설명해보겠습니다. 이 부분은 굉장히 중요한 부분이니 꼭 여러번 읽어보시고 확실히 이해해주시길 바랍니다!

 - ② 영역에 대한 요약 -

     x 축 ( 탄소 함량) : 0.03~ 2.00% 사이

    이 영역은 탄소 함유량 0.76%가 가장 중요한 부분 (공석 반응 지점)

    0.76%, 0.022%~0.76%, 0.76%~2.00% 세 가지 경우의 공석 반응 결과가 있음

    냉각에 걸리는 시간을 아주 천천히 할 경우 경우에 따라 반응의 결과가 각각 다르므로        강을 냉각시키게 되면 강 재료를 이루는 결정의 비율이 정말 다양해짐을 추론 가능

 γ 철 영역에 대해 말씀드려보겠습니다. γ 철은 다른 말로 오스테나이트 (Austenite)라고도 부르니 둘을 연관지어 꼭 외우시길 바랍니다. 

이 파트에서 알아둬야할 내용

1. 강의 공석 반응 : γ 고용체 ↔ α 철 + Fe3C(시멘타이트)

    강의 공석 반응은 어떤 고체가 특정 온도에서 두 종류의 고체 결정으로 변함

 공석 반응이란 쉽게 말하면 고체입자가 두 종류의 고체입자로 변하는 화학반응이라고 보시면 됩니다. 

 가장 중요한 부분만 표기를 했는데요. 이 부분을 알아야 강의 열처리를 이해하는 데 한 걸음 앞으로 갈 수 있기 때문입니다. γ 철 영역은 727ºC 탄소함유량 0.76% 인 부분 근처가 중요한 부분입니다. 이 부분에서 아까 위에서 언급한 공석 반응이라는 특수한 화학 반응이 발생합니다. 하지만 이 공석 반응도 세 가지 경우로 나뉠 수 있는데요. 

 우선 첫 번째로 정확히 탄소 함유량이 0.76% 인 경우에 일어나는 공석 반응입니다. 아주 천천히 냉각을 한다고 가정하고 이야기를 해보죠. 점선 xx' 를 기준으로 보면 a 점에서는 전부 오스테나이트 상태로 있지만 b 점을 지나면서 오스테나이트가 페라이트와 시멘타이트로 변합니다. 페라이트와 시멘타이트가 같이 있는 경우를 또 펄라이트 (Pearlite) 조직이라고도 합니다. 727도씨를 기준으로 변했네요. 

 그럼 이제 두 번째 경우! 탄소 함유량이 0.76% 이하인 경우.. 더 정확히 말하면 0.022% ~ 0.76% 사이 인 경우 공석 반응은 어떻게 될까요? 이 경우에는 아공석 합금이란 것이 생깁니다. 아공석합금을 더 쉽게 말하면 아공석강이라고도 합니다. 

점선 yy' 위에 점 c, d, e, f 에서 어떻게 변하는지 봅시다. 일단 온도가 c 에서 e 까지 내려가게 되면 점점 페라이트 입자의 크기가 커짐을 말하고 있습니다. 그 상태에서 f 점으로 내려가게 되면 f 점에서의 그림이 조금 복잡하게 되어있지요? 그 부분을 한 번 깊게 바라봅시다. 

저 그림에서 T_e 온도, 그러니까 e 점에서 f 점으로 변하게 될 경우 오스테나이트는 공석 반응에 의해 펄라이트로 변하게 될 것입니다. 이것까지는 공석점(탄소 함유량 0.76%)인 경우와 같습니다. 다만 한 가지 차이는 초석 페라이트(proeutectoid ferrite)와 공석 페라이트(eutectoid ferrite)가 표기되어 있는데요. 이렇게 생각하면 됩니다. 탄소 함유량이 0.76%인 경우에는 오스테나이트가 다른 기타 상들이 없이 펄라이트로 다 변했다면....

지금 상태는 탄소 함유량이 0.76%에서 부족한 상태인 것입니다. 이 상태는 탄소가 부족한 상태이므로 순철쪽이 더 남아돌겠지요. 그래서 순철인 페라이트 입자가 추가로 발생하게 된 상태인 것입니다. 

 자 그럼 탄소 함유량이 0.76%~2.00%인 경우는 어떻게 될까요? 이런 경우에 생기는 공석강을 과공석합금이라고 합니다. 아공석합금과 마찬가지로 이런 경우를 또 과공석합금이라고도 합니다.  이번에는 아공석합금과 반대로 시멘타이트가 더 생깁니다. 아까 아공석강은 탄소가 부족한 쪽이라서 순철인 페라이트가 추가로 생기는 것이라고 했었습니다. 그렇다면 이 경우는 탄소 함유량이 0.76% 보다 많고, 그렇게해서 탄소를 많이 가진 시멘타이트가 공석보다 많은 상태이므로 추가로 시멘타이트가 더 생기는 것입니다. 다만 추가로 생기는 것은 하나인데요. 이걸 초석 시멘타이트 (Proeutectoid cementite)라고 합니다. 

 이 부분에서 알 수 있는 점은 강이 냉각되면서 강을 구성하는 결정에 여러 경우의 수가 존재함을 알 수 있습니다. 탄소가 얼마나 있느냐에 따라 오스테나이트 상태에서 냉각될 때 펄라이트만 있을지, 페라이트와 같이 있을지, 아니면 시멘타이트랑 같이 있을지... 여러 경우의 수가 있게 되는 것이죠. 이래서 목표로 하는 성능의 강 재료를 만드는 것이 어려운 것입니다. 

그리고 만약 강을 냉각시키는 시간이 달라진다면 이 복잡함은 더더욱 더 복잡하게 될 것입니다. 그러므로 다음 포스팅은 강을 냉각시키는 시간을 달리 했을 때 어떠한 조직이 또 석출될 수 있는지에 대해서 말씀드려보려합니다. 

 안녕하세요! 공돌이 인생무상입니다. 이번 포스팅에서는 혼합물의 녹는점을 한 번 알아보고자합니다. 간단하게 구리와

니켈 합금의 상태도를 분석하는 것을 해보도록 하겠습니다. 단순한 상태도를 분석할 줄 알면 어려운 상태도도 분석 할 수 있을테니까요!

구리와 니켈의 상태 분석

 위 그림이 구리와 니켈의 상태도입니다. 그래프의 y 축이야 척보자마자 바로 온도인걸 알 수 있을거고...

x축이 무슨 뜻인지 헷갈릴 수 있겠네요. 아래 사진을 통해 확실히 확인해보도록 하지요. 

 이 사진은 X축을 확대하고 설명을 넣은 것입니다. 니켈을 기준으로 x 축을 그은 것입니다. 오른쪽으로 가면 니켈 비율이 많아지고, 대신 구리의 비율이 줄어들게 되지요.  중간에 있는 숫자들은 니켈을 기준으로 적은 것입니다. 즉, 그림에서 40의 숫자는 니켈의 함유량이 40%라는 뜻이며 구리의 함유량은 자연적으로 60%가 된다는 뜻입니다. 

 이 그림을 통해 알 수 있는 것은 0, 혹은 100%의 함유량에 도달할 수록 순물질의 녹는점과 가까워진다는 것입니다. 
무슨 뜻이냐면, 니켈 0%일 떄는 구리의 녹는점인 1085도지만, 니켈을 조금씩 조금씩 포함할 수록 합금의 온도가 니켈의 녹는점쪽으로 수렴하게 된다는 뜻입니다. 구리 하나도 없이 니켈만 있을 경우에는 결국 니켈의 녹는점이 되지요. 당연한 것입니다...

 이제 그래프의 선과 영역에 대해서 이야기해보도록 하겠습니다.  이것은 간단합니다. 우선 Liquid (액체) 부분에 있는 선을 한 번 분석해보도록 합시다. 

 사진에서 붉은 색으로 칠해진 부분입니다. 이 부분의 위로 넘어가면 두 금속의 혼합체는 완전히 액상이 된다는 뜻입니다. 쉽게 설명해보기 위해 예를 하나 들어보겠습니다. 대충 니캘 80 구리 20으로 섞여있는 상태에서는 1400도를 넘어가면 두 금속의 혼합물은 액체가 된다는 뜻이죠. 왜냐면 저 붉은 색 선이 1400에 거의 걸터져서 지나가고 있으니까요. 

 위 사진의 녹색으로 칠해진 부분은 이 선 아래로 내려갈 시 두 금속의 혼합물이 고체 상태로 존재한다는 뜻입니다. 

위 경우처럼 예시를 들어보면 니켈 60, 구리 40이 섞인 상태에서 1300도 아래라면 두 금속의 혼합물은 고체 상태로 존재한다는 뜻입니다. 

 마지막 노란 영역에 대해서도 분석해보도록 합시다. 니켈 20 구리 80 섞인 상태의 금속이 약 1150도 온도에 있다고 가정합시다. 그렇다면 이 때 금속의 상태는 노란색 그래프의 영역 안에 들어있는 것이며 이 때에는 고체와 액체 두 상이 공존하고 있는 상태입니다. 즉, 저 노란 부분안에 있다면 혼합 금속은 고체와 액체 두 상태를 갖고 있는 상태라는 뜻이 됩니다. 

마무리

 이제 철의 상태도 및 TTT 분석을 위한 초석은 모두 다 닦았다고 생각합니다. 마지막으로 이제 우리가 공략할 대상이 무엇인지 한 번 미리 보기 하며 마무리하도록 하겠습니당!