철-탄소의 평형상태도에 대해서 알아보자

기계 하면 무슨 금속이 생각나시나요?

대부분의 사람들이 철 혹은 쇠를 생각하실거에요

예전에 로봇만화영화에도 무쇠팔 무쇠다리 나오자나요 ㅎㅎ

 

실제로 대부분 기계산업에는 철 Fe가 많이 쓰이고 있어요

그래서 포항제철(POSCO)가 망할수가 없죠 철을 안쓰면 원시시대로 돌아가겠다는 소리자나요

 

우리는 단순히 쇠 혹은 철로만 알고있는 금속이

다양한 종류로 만들어져서 쓰이고 있는 사실은 알고 있나요?

철은 그 쓰임에 따라 다양한 종류로 많이 나와요

그 종류를 나누는 방법엔 첨가된 원소에 따라서 탄소함량에 따라서 철의 조직 상태 에 따라서 다양하게 나누는데요

 

철을 자세하게 파헤치기전에 소개되는 그래프가 있어요

바로 철-탄소(Fe-C) 평형 상태도입니다.

x축은 탄소함량이고 y축은 온도를 나타냅니다. 온도와 탄소함량에 따른 철의 상태를 그래프로 그려서 나타낸게 평형상태도인데요

 

여기서 크게 알아야 될것은

 

철은 탄소 함량에 따라서 크게 순철, 강, 주철 로 나뉘어요 우리가 철을 영어로 steel인지 iron인지는

여기서 나뉘어요 강이 steel이고 주철이 iron입니다.

 

그렇다면 변태는 무엇일까요?

바바리맨같은 변태가 아니라 애벌레에서 성충으로 변할때 쓰는 변태의 개념으로 철에서는

자기적 성질이 면하는 자기 변태와 조직이 변하는 동소변태로 나뉠수 있겠습니다.

 

그렇다면 각 변태점에 대한 설명을 하겠습니다. 제가 수업시간에 배운내용을 쉽게 풀어봤어요

 

Ⅰ. A0변태
시멘타이트의 자기적 변태를 A0변태라 하며, 이 변태가 생기는 온도를 A0변태점 또는
시멘타이트의 퀴리포인트(Curie point) 라고 한다. A0변태점은 탄소량에는 관계가 없고 약
210℃이다. 즉, 시멘타이트는 210℃ 이하에서는 강자성체이지만, 이 이상의 온도에서는
상자성체가 된다.
가열시의 A0변태점을 Ac0, 냉각시의 A0변태점을 Ar0라고 한다. A0변태점을 처음 발표한 사람은
Wologdine(1909 년)이다. A0변태는 순철에는 존재치 않는 변태이다.

 

부연설명 하자면 강자성체는 자성이 쌘 금속 상자성체는 자성이 약한 금속으로 쉽게 생각하시면 되요

그리고 가열시의 Ac0라는 것은 y축이 커지면서 A0선을 지나가는 개념이고 Ar0은 그 반대

 

Ⅱ. A1변태
강철의 공석변태를 A1변태라고 하며, 이 변태가 생기는 온도를 A1변태점이라 한다.
즉, 이 변태의 식은 다음과 같이 된다.
오스테나이트 →냉각 페라이트+시멘타이트
(고용체) ←가열 (퍼얼라이트)
A1변태는 강철과 주철에만 존재하는 것으로서, 그 온도는 약723℃이며, 탄소함유량에는 관계없다.
그러나 그 변태량은 0.85%C에서 최대이고, 이것보다 탄소량이 적을수록, 또 많을수록
변태량이 작아진다. 그리고 가열시의 A1변태를 Ac1, 냉각시의 변태를 Ar1이라 한다. Ar1변태점에서
강철은 발열하여 어두운 곳에서 보 면 돌연 빛을 내는 일이 있어 재휘점이라 고도 한다.
Ac1점에서는 강철은 수축하고, 전기저항은 커진다. (Ar1점에서는 역변화)

 

여기서 공석변태란 하나의 상이 두개의 상이 혼합되 있는 상태로 변한다는 뜻입니다.

오스테나이트에서 페라이트와 시멘타이트 두 상으로 되니까요 그리고 순철에는 A1 변태가 없어요

 

Ⅲ. A2변태
철의 자기적 변태를 A2변태라 하며, 그 온도를 A2 변태점 또는 퀴리포인트라고 한다.
즉, 철은 A2변태점 이하에서는 강자성체이나, 그 이 상에서는 상자성체가 된다. 순철의 A2변태점은
약 768℃이고, 탄소가 첨가되어도 그 온도는 그다지 변화되지 않고, 거의 일정 하다. 그리고 약
0.5%C에서 A3변태점과 합치하여, 이후 탄소량의 증가와 함께 A3변태선상을 지나, 0.85%C 에서
A1변태점과 일치한다. A2변태점 이하의 철(강자성)을 α철,A2이상 A3변태점까지의 철(상자성)을
β철이라고 한다. 그러나 A2변태는 철의 동소변태가 아니고, 또한 결정구조적으로도 α철과 β철은 같은 체심
입방정형(BCC)이므로, 이것을 구분하지 않고 전부 α철로 논하는 자가 많다.
강종 탄소량% 가열시의 A1변태(Ac1) 냉각시의 A1변태(Ar1)
아공석강 〈0.85 全퍼얼라이트가 오스테나이트로 변태함과 동시에 초석페라이트가 오스테나
이트속에 용해한다
오스테나이트에서 페라이트의 석출이 끝남과 동시에 非오스테나이트가 퍼얼라이트로 변태한다.
공석강 0.85 全퍼얼라이트가 오스테나이트로 변태한다.
全오스테나이트가 퍼얼라이트로 변태한다.
과공석강 〉0.85 全퍼얼라이트가 오스테나이트로 변태함과 동시에 초석시멘타이트속에 용해한다.
오스테나이트에서 시멘타이트석출이 끝남과 동시에 이 오스테나이트가 퍼얼라이트로 변태한다.

 

그래프에서 A1위에 있는 점선이 A2 그래프입니다.

 

Ⅳ. A3변태
철의 동소변태의 하나로서
α철(체심입방정형) →가열 β철(면심입방정형)
←냉각
의 변화를 말한다. 즉, A3변태점 이하의 철을 α철, 이상의 철을 γ철 이라 한다. 철의 A3변태점은 약
910℃이다.
철에 탄소가 들어가면 그 양에 따라 A3변태점은 910℃보다 내려가, 0.85%C(공석강)에서 726℃가
되어 A1변태점과 일치한다.
그리고 가열시의 A3변태를 Ac3, 냉각시의 것을 Ar3변태라 한다.
강철에 대한 A3변태의 뜻은
• Ac3 : 가열할 때, 페라이트가 오스테나이트에의 고용(固溶)의 종지(終止)
• Ar3 : 냉각할 때, 오스테나이트에서 페라이트의 석출(析出)이 시작
이며, 바로 Acm변태와 같은 뜻을 갖고 있는 것이다. A3변태점은 강철의 담금질, 풀림, 조질화에 특히
중요한 것으로서, 이들의 열처리는 Ac3변태점 이상 50℃쯤 높은 온도에 강철을 가열시킨 후에 한다.
Ar3변태점에서는 강철은 현저하게 팽창한다.

 

A3가 중요한이유는 열처리와 관련있습니다. 열처리에 관해서는 다음 포스팅에 하도록 하겠습니다.

 

Ⅴ. Acm변태

과공석강(0.85∼1.7%C)에만 존재하는 변태로서 그 변태점은 탄소량이 증가함에 따라서 상승한다.
Acm 변태점 : 0.85%C → 723℃, 1.7%C → 1145℃ 가열 때 Acm변태를 Accm, 냉각시의
것을 Arcm변태라고 한다.
그리고
• Accm : 가열할 때, 시멘타이트가 오스테나이트에의 고용의 종지
• Arcm : 냉각할 때, 오스테나이트에서 시멘타이트의 석출이 시작
를 의미하며, 바로 A3변태와 같이 석출변태이다. Cm은 시멘타이트(Cementite)의
약자이다. 담금질, 풀림 등의 열처리는 Acm변태점 이하에서 실시되므로 이들의
열처리에는 그다지 중요하지 않으나, 조질화, 또는 탄화작업에 있어서는 Acm선이
나타내는 온도가 상당히 중요성을 갖는다.

<출처:네이버오픈백과>