철-철탄화물(Fe-Fe₃C) 상태도 (1) 페라이트, 펄라이트, 오스테나이트 등

안녕하세요

이번엔 2원계 합금 중에서 가장 중요한 철-철탄화물(Fe-Fe₃C) 상태도에 대해서

두 차례에 걸쳐 포스팅할 예정입니다.



순서는 아래와 같이 진행하겠습니다.


1. 상 구조에 영향을 주는 매개변수

2. 매개변수 조건 변화에 따른 상의 상태 (상의 종류)

3. 공정, 공석, 포정 반응

4. 온도, 조성 변화에 따른 미세조직의 변화

5. 상 구성비 계산법


이번 포스팅에선 1번~3번까지 다루도록 하겠습니다.

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1. 상 구조에 영향을 주는 매개변수

상태도의 x축, y축을 확인하시면 되는데,

Fe-Fe₃C 상태도에서 상에 영향을 주는 인자로는 Fe, C의 조성과 온도입니다.



2. 매개변수 조건 변화에 따른 상의 상태 (상의 종류)


* 강철 VS 주철

강철: 탄소 함량이 2.14 wt%C 이하인 철

주철: 탄소 함량이 2.14 wt%C 이상인 철



* 순철(0 wt%C) 일 때 온도에 따른 결정구조

순철(0 wt%C) 일때 온도에 따라 다른 구조를 갖게 되는데,

① α철 (페라이트(Ferrite))
0℃~912℃
상온에서 안정된 형태로 결정구조는 BCC입니다.

② γ철 (오스테나이트(Austenite))
912℃~1394℃
결정구조는 FCC입니다.

③ δ철
1394℃~1534℃
결정구조는 BCC입니다.


이렇게 하나의 금속이 하나 이상의 결정 구조를 가지는 형상을 동질이상 변태라고 하며,

그중에서 온도에 의해서 결정 구조의 변화가 발생하는 것을 동소 변태라고 합니다.



* Fe₃C (시멘타이트(Cementite)) (6.70 wt%C)

시멘타이트는 철과 탄소가 결합한 화합물로

준평형 상으로서 650℃~700℃ 사이에서 α철과 흑연으로 분해가 됩니다.

또한, 727℃~1147℃ 사이에서 Fe₃C은 오스테나이트상과 함께 공존하고 있는 상태입니다.



* α철+Fe₃C (펄라이트(pearlite))
페라이트와 시멘타이트가 층을 이루는 조직으로 γ철을 냉각시킬 때, 공석점을 지나게 되면 생성됩니다.



* α철 VS α철+Fe₃C VS Fe₃C (강도, 연신율, 경도)

구 분	α철	α철+Fe₃C	Fe₃C
인장강도	35	50	3.5
연신율	40	10	0
경도	80	200	800

위의 값은 대략적인 값으로 참고 부탁드립니다.

α철, γ철, Fe₃C 간의 기계적 성질 차이는 탄소의 함량에 따라 달라지는 것을 보실 수 있습니다.



3. 공정, 공석, 포정 반응

① 공정 반응
(공정점: 1147℃, 4.30 wt%C)
L↔γ+Fe₃C


용융 상태인 철이 공정점 지점을 지나게 되면 오스테나이트와 시멘타이트로 상변태가 발생하게 됩니다.

② 공석 반응
(공석점: 727℃, 0.76 wt%C)
γ↔α+Fe₃C

오스테나이트가 공석점 지점을 지나게 되면 페라이트와 시멘타이트, 즉 펄라이트로 상변태가 발생하게 됩니다.

③ 포정 반응
(포정점: 1493℃, 0.18wt%C)
L+δ↔γ

용융철과 델타철이 포정점 지점을 지나게 되면 오스테나이트로 상변태가 발생하게 됩니다.

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오늘은 1번~3번까지 포스팅해보았습니다.

내일은 철-철탄화물(Fe-Fe₃C) 상태도를 마무리하도록 하겠습니다.

감사합니다.

 

2원계 상태도 철-철탄화물(Fe-Fe₃C) 상태도 (2)