탄소강과 철-탄소계 평형상태도
강철(Steel)은 역사에서도 ‘철기시대’로 따로 분류할 만큼 인류에 엄청난 영향을 주었던 재료이며, 지금까지도 산업 현장뿐만 아니라 일상생활에서도 많이 사용되는 중요한 재료이다. 그런데, 왜 우리는 철을 많이 사용하게 된 걸까? 약 75억년 전 초신성이 폭발한 뒤, 태양과 지구를 포함한 여러행성들이 형성되는 수 많은 과정들을 살펴보면 그 이유에 대해 알 수 있다. 이에 대한 자세한 이야기는 이 글를 통해 살펴보세요!
이 글에서 알 수 있듯이, 지구에 사는 우리는 필연적으로 철을 이용할 수 밖에 없었다. 이 뿐만 아니라 철은 재료역학적인 여러 이점들이 있었기에 고대에서부터 지금까지도 많이 사용하는 원소이자 재료라 할 수 있다. 철이 온도와 탄소의 함유량 등에 따라 어떠한 재료역학적인 특성을 가지는지 아래에 있는 철-탄소계 평형상태도를 바탕으로 정리해보았습니다.
탄소강의 조직
1. 페라이트(α-Fe)
① α-Fe에 약간의 탄소만이 고용된 α고용체[1]
② 최대 탄소 고용도는 723℃에서 0.02%
③ 연성이 크고 담금질에 의해 경화되지 않음
④ 순철에 가까우며, 강자성체이고, 인장강도가 작음
2. 오스테나이트(γ-Fe)
① γ-Fe 속에 탄소를 고용한 γ고용체
② 최대 탄소 고용도는 1148℃에서 2.11%
③ 전기 저항이 크고, 비자성체이며 인성이 큼
④ 경도는 낮으나 인장강도에 비해 연신율이 큼
3. 시멘타이트(Fe3C)
① 철에 6.67%의 탄소를 함유하고 있는 금속간 화합물
② 매우 단단하고 취성이 강하다.
4. 펄라이트(α고용체 + Fe3C)
① 0.77%C의 γ고용체가 723℃에서 분해하여 생긴 페라이트와 시멘타이트가 동시에 석출되는 공석 조직
② 강도와 경도가 크고, 어느정도의 연성을 가짐
③ 인장 강도와 내마모성이 강함
변태점의 종류
철의 변태는 결정구조변화가 없이 자성의 변화만 있는 자기변태와 결정구조 변화를 일으키는 동소변태 2가지로 분류할 수 있다.
1. A0변태점 (시멘타이트의 자기변태)
① 결정구조 변화 없음
② 시멘타이트의 자기변태점 (Curie point) 210도 이하는 강자성체이나 그 이상에서는 상자성체로 자기의 강도가 매우 약해진다.
2. A1변태점 (동소변태[2])
① 결정구조의 변화
② 강의 공석변태점 강과 주철에서만 존재, 723도
3. A2변태점 (철의 자기변태)
① 결정구조 변화 없음
② 철의 자기변태점 (Curie point) 770도 이하에서는 강자성체이나 그 이상에서는 상자성체 자기의 강도가 매우 약해진다.
4. A3변태점 (동소변태)
① 결정구조의 변화
② 철의 동소변태점
③ α철(체심입방격자)에서 γ철(면심입방격자)로 격자변화가 있는 온도.
④ 탄소함유량에 따라 변하며 순철 의 경우 910도, 탄소 0.85%에서 723도
5. A4변태점 (동소변태)
① 결정구조의 변화
② γ철(면심입방정계)에서 δ철(체심입방정계)로 변화는 온도
③ 철의 A4, 변태점은 1400℃이며
④ 탄소가 들어감으로써 A4 변태점은 상승되고, 0.18% C에서 1487℃
철-탄소 평형상태도에 존재하는 3개의 반응구역
1. 포정반응
한 고용체가 다른 고용체로 둘러싸면서 일어나는 반응으로 1495℃에서 0.17%의 탄소를 고용하여 γ고용체인 오스테나이트로 변하는 반응이다.
변태점의 종류별 핵심 키포인트 정리
이 글에서 알 수 있듯이, 지구에 사는 우리는 필연적으로 철을 이용할 수 밖에 없었다. 이 뿐만 아니라 철은 재료역학적인 여러 이점들이 있었기에 고대에서부터 지금까지도 많이 사용하는 원소이자 재료라 할 수 있다. 철이 온도와 탄소의 함유량 등에 따라 어떠한 재료역학적인 특성을 가지는지 아래에 있는 철-탄소계 평형상태도를 바탕으로 정리해보았습니다.
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| < 철-탄소계 평형상태도 > |
탄소강의 조직
1. 페라이트(α-Fe)
① α-Fe에 약간의 탄소만이 고용된 α고용체[1]
② 최대 탄소 고용도는 723℃에서 0.02%
③ 연성이 크고 담금질에 의해 경화되지 않음
④ 순철에 가까우며, 강자성체이고, 인장강도가 작음
2. 오스테나이트(γ-Fe)
① γ-Fe 속에 탄소를 고용한 γ고용체
② 최대 탄소 고용도는 1148℃에서 2.11%
③ 전기 저항이 크고, 비자성체이며 인성이 큼
④ 경도는 낮으나 인장강도에 비해 연신율이 큼
3. 시멘타이트(Fe3C)
① 철에 6.67%의 탄소를 함유하고 있는 금속간 화합물
② 매우 단단하고 취성이 강하다.
4. 펄라이트(α고용체 + Fe3C)
① 0.77%C의 γ고용체가 723℃에서 분해하여 생긴 페라이트와 시멘타이트가 동시에 석출되는 공석 조직
② 강도와 경도가 크고, 어느정도의 연성을 가짐
③ 인장 강도와 내마모성이 강함
변태점의 종류
철의 변태는 결정구조변화가 없이 자성의 변화만 있는 자기변태와 결정구조 변화를 일으키는 동소변태 2가지로 분류할 수 있다.
1. A0변태점 (시멘타이트의 자기변태)
① 결정구조 변화 없음
② 시멘타이트의 자기변태점 (Curie point) 210도 이하는 강자성체이나 그 이상에서는 상자성체로 자기의 강도가 매우 약해진다.
2. A1변태점 (동소변태[2])
① 결정구조의 변화
② 강의 공석변태점 강과 주철에서만 존재, 723도
3. A2변태점 (철의 자기변태)
① 결정구조 변화 없음
② 철의 자기변태점 (Curie point) 770도 이하에서는 강자성체이나 그 이상에서는 상자성체 자기의 강도가 매우 약해진다.
4. A3변태점 (동소변태)
① 결정구조의 변화
② 철의 동소변태점
③ α철(체심입방격자)에서 γ철(면심입방격자)로 격자변화가 있는 온도.
④ 탄소함유량에 따라 변하며 순철 의 경우 910도, 탄소 0.85%에서 723도
5. A4변태점 (동소변태)
① 결정구조의 변화
② γ철(면심입방정계)에서 δ철(체심입방정계)로 변화는 온도
③ 철의 A4, 변태점은 1400℃이며
④ 탄소가 들어감으로써 A4 변태점은 상승되고, 0.18% C에서 1487℃
철-탄소 평형상태도에 존재하는 3개의 반응구역
1. 포정반응
한 고용체가 다른 고용체로 둘러싸면서 일어나는 반응으로 1495℃에서 0.17%의 탄소를 고용하여 γ고용체인 오스테나이트로 변하는 반응이다.
2. 공정반응
1148℃의 액체 상태의 용융액에서 두 종류의 결정이 동시에 생기는 반응이다.
3. 공석반응
한 종류의 고체에서 두 종류의 고체가 동시에 생기는 현상을 말하며, 723℃에 일어난다.
변태점의 종류별 핵심 키포인트 정리
변태종류
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온도(℃)
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입방구조
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설명
|
A0
|
210
|
BCC
|
- Fe3C의 자기변태온도
- 210℃ 이하 : 강자성
- 210℃ 이상 : 상자성
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A1
|
723
|
BCC
|
- 강의 공석변태온도
 |
A2
|
768
|
BCC
|
- 순철의 자기변태온도(768℃이하 : 강자성, 768℃이상: 상자성)
- A2이하의 철을 α철, A2이상의 철을 β철이다. (α, β철 모두 BCC)
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A3
|
910
|
FCC
|
- 순철의 동소변태온도
- [γ-Fe] ⇄ [α-Fe]
- A3이상을 γ철(FCC)
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A4
|
1400
|
FCC
|
- 순철의 동소변태온도
- [δ-Fe] ⇄ [γ-Fe]
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용해점
|
1538
|
BCC
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[1] 고용체 : 고체끼리 용매, 용질이된 고체상태의 용액이다.
[2]동소변태: 온도를 상승 또는 하강시켰을 경우 한 상에서 다른 상으로 전이하는 것을 변태로, 동일 원소에서의 변태를 동소 변태라고 칭한다.
[추가그림] 주석이 없는 철-탄소계 평형상태도
[추가그림] 주석이 없는 철-탄소계 평형상태도
