순철의 결정 구조와 Fe-C 상태도 | 기계공작법 3.1-1
기계공작법Chapter 03 열처리와 표면 처리 › Section 01
3.1 ① 순철의 결정 구조와 Fe–C 상태도
열처리는 재료의 성분을 바꾸지 않는다. 바꾸는 것은 원자가 늘어선 배열이다. 이 절은 철이 온도에 따라 배열을 갈아입는 과정과, 그 경계를 표시한 평형 상태도를 읽는 순서를 다룬다.
영상 주소 https://www.youtube.com/watch?v=cjyIbvbj65c · 기계공작법 강의실 채널
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01열처리는 무엇을 바꾸는가교재 34p
성분이 아니라 조직을 바꾸는 처리. 원리를 풀 열쇠는 결정 구조와 탄소량 둘.
- 열처리(heat treatment) — 사용 목적에 맞도록 가열·냉각 조작을 거쳐 재료의 성질을 인위적으로 바꾸는 처리.
- 같은 재료라도 가열·냉각 속도를 달리하면 금속 내부의 조직이 변함.
- 조직이 변하면 기계적 성질과 물리적 성질도 함께 달라짐 — 단단해지기도, 연해지기도 함.
- 따라서 열처리를 풀려면 두 가지를 먼저 알아야 함.
- 철이 온도에 따라 어떤 결정 구조를 갖는지.
- 탄소가 얼마나 들었느냐에 따라 어떤 조직이 나타나는지.
2장과 3장의 갈림
- 2장 — 재료의 성질을 재는 시험, 그리고 철–탄소 합금의 종류.
- 3장 — 그 성질을 바꾸는 조작.교재 34p
- 이 절 — 바꾸기 전에 읽어야 할 지도. 순철의 결정 구조에서 시작해 Fe–C 상태도 읽는 법까지.
02금속 결합과 결정체교재 34p
- 자유 전자(free electron) — 원자가 많이 모여 최외각 전자가 서로 닿을 만큼 가까워졌을 때, 특정 원자핵에 얽매이지 않고 움직이게 된 전자.
- 금속 결합 — 자유 전자가 이룬 전자 바다 속에 양(+) 전하를 띤 금속 이온이 일정한 거리를 두고 떠 있는 결합.
- 금속 특유의 전기·열 전도성, 기계적 강도, 소성이 모두 여기에서 나옴.
- 결정체(crystal) — 고체 상태의 금속에서 원자가 3차원으로 규칙적인 배열을 이룬 것.
- 배열의 형태가 달라지면 전성과 연성이 크게 달라짐.
- 열처리 — 바로 이 배열을 갈아 끼우는 작업.
- 배위수(coordination number) — 한 원자를 둘러싼 가장 가까운 이웃 원자의 수. 결정 구조를 견주는 기준.
- 배위수가 클수록 원자가 빽빽하게 쌓여 있음.
03대표적인 결정 구조 세 가지교재 34p
앞 숫자가 배위수, 뒤 숫자가 단위 격자 하나가 품는 원자 수.
| 결정 구조 | 배위수 / 원자 수 | 특징 | 대표 금속 |
|---|---|---|---|
| 체심 입방 격자 (BCC) |
8 / 2개 | 입방체의 꼭짓점 8곳과 몸 중심에 원자가 놓임. 비교적 간단한 구조. 전성과 연성은 FCC 다음. | 텅스텐 · 몰리브덴 · α철 · δ철 |
| 면심 입방 격자 (FCC) |
12 / 4개 | 꼭짓점 8곳과 여섯 면의 중심에 원자가 놓임. 충진율 74 %로 가장 빽빽. 슬립이 일어나는 조밀면이 여러 방향이라 전성과 연성이 매우 우수. | 알루미늄 · 구리 · 금 · 은 · γ철 |
| 조밀 육방 격자 (HCP) |
12 / 6개 | 정육각기둥의 꼭짓점과 두 밑면 중심, 기둥 내부에 원자가 놓임. 충진율은 FCC와 같은 74 %. 미끄러질 면과 방향이 한정되어 연성은 떨어짐. | 마그네슘 · 아연 · 카드뮴 · 티타늄 |
빽빽함과 연성은 따로
- FCC와 HCP — 충진율이 74 %로 똑같음. 그런데 연성은 FCC가 훨씬 좋음.
- 까닭 — 빽빽하기만 해서 잘 늘어나는 것이 아니라, 원자가 미끄러질 수 있는 면과 방향의 수가 연성을 가름.
- 순철이 오가는 구조는 BCC와 FCC 둘. HCP는 순철에 없고 마그네슘·티타늄 쪽에서 나타남.
04변태점 — 네 개의 온도가 경계교재 35p
- 변태 — 금속의 온도가 변할 때 결정 구조나 물리적 성질이 달라지는 현상.
- 순철을 천천히 데우면 경계가 되는 온도를 차례로 지나감.
| 기호 | 온도 | 일어나는 일 |
|---|---|---|
| A₂ | 768 ℃ | 자기적 성질이 변함. 결정 구조는 그대로. |
| A₃ | 912 ℃ | α철이 γ철로 바뀜. BCC → FCC. |
| A₄ | 1,394 ℃ | γ철이 δ철로 바뀜. FCC → BCC. |
| 용융점 | 1,538 ℃ | 순철이 완전히 녹음. |
- 순철의 가열 곡선에서 온도가 오르지 않고 평평해지는 구간이 세 번 나타남.
- 앞의 두 번 — 넣어 준 열이 원자 배열을 바꾸는 데 쓰이기 때문.
- 마지막 한 번 — 넣어 준 열이 쇠를 녹이는 데 쓰이기 때문.
- A₂에는 평평한 구간이 생기지 않음 — 잠열이 나오지 않기 때문.
05동소 변태와 자기 변태교재 35p
구조가 바뀌는 쪽과 자성만 바뀌는 쪽. 시험에서 가장 자주 갈라 묻는 대목.
1동소 변태
- 동소 변태(allotropic transformation) — 같은 원소이면서 결정 구조 자체가 완전히 다른 형태로 바뀌는 현상.
- 일어나는 자리 — A₃(912 ℃)와 A₄(1,394 ℃).
- 잠열이 오가므로 가열 곡선에 수평 정체 구간으로 나타남.
2자기 변태
- 자기 변태(magnetic transformation) — 결정 구조는 그대로 둔 채 자성만 잃거나 새로 얻는 현상.
- 일어나는 자리 — A₂(768 ℃) 한 곳.
- 잠열이 나오지 않으므로 수평 정체 구간으로 나타나지 않음.
768 ℃를 넘을 때
- 768 ℃ 아래 — 자석에 강하게 달라붙는 강자성체.
- 768 ℃ 위 — 원자 배열은 여전히 BCC인 α철인데도 자석에 붙지 않는 상자성체로 급변.
- 곧 구조는 그대로인 채 성질만 갈린 경우 — 동소 변태와 구별해야 할 지점.
06α철 · γ철 · δ철교재 35p
순철은 온도에 따라 세 가지 상태로 스스로 변함.
| 이름 | 온도 구간 | 결정 구조 | 비고 |
|---|---|---|---|
| α철 | A₃ 변태점 미만 (상온 ~ 912 ℃) | BCC | 탄소가 고용된 것이 페라이트. |
| γ철 | A₃ ~ A₄ 사이 (912 ~ 1,394 ℃) | FCC | 탄소가 고용된 것이 오스테나이트. |
| δ철 | A₄ 변태점 이상 (1,394 ~ 1,538 ℃) | BCC | 용융점에 이르기 전까지 다시 BCC로 되돌아감. |
- 오스테나이트(austenite) — 탄소가 고용된 γ 고용체.
- FCC는 더 빽빽한데도 탄소를 더 많이 받아들임.
- 까닭 — 빈틈의 수는 적어도 빈틈 하나하나가 BCC의 침입 자리보다 크기 때문. 교재는 이 자리를 팔면체 침입 자리라 부름.
- 결과 — 오스테나이트가 페라이트보다 훨씬 많은 탄소를 고용함.
- 강을 열처리할 때 굳이 오스테나이트 영역까지 가열하는 중요한 까닭이 여기에 있음.교재 35p
07평형 상태도 읽는 네 단계교재 36p
Fe–C 상태도는 선이 많아 처음부터 읽기 어려움. 가장 단순한 구리–니켈 합금으로 순서를 먼저 익힘.
- 평형 상태도(phase diagram) — 합금에서 온도와 조성, 그때의 상이 어떤 관계에 있는지를 하나의 그래프로 나타낸 선도.
- 조성 — 무엇이 얼마나 섞였는지. 상(phase) — 물질 안에서 성질이 고르게 같은 부분.
- 액체 상태의 쇳물이 한 상, 굳은 고체가 또 다른 상.
- 상태도로 곧바로 아는 것 — 어떤 온도와 합금 비율에서 완전히 녹았는지, 완전히 굳었는지, 고체와 액체가 섞였는지 셋.
1축을 봄
- 가로축 — 합금의 성분비(중량 백분율). 세로축 — 온도.
- 니켈 0 % 끝 — 순 구리, 용융점 1,085 ℃.
- 니켈 100 % 끝 — 순 니켈, 용융점 1,455 ℃.
2경계선 이름을 익힘
- 액상선(liquidus line) — 이 선보다 높은 온도에서 완전한 액체.
- 고상선(solidus line) — 이 선보다 낮은 온도에서 완전한 고체.
- 순금속 — 정해진 한 온도에서 녹음. 합금 — 두 선 사이 구간에 걸쳐 서서히 녹고 서서히 굳음.
3가운데 구역을 앎
- 액상선과 고상선 사이 — 아직 다 녹지 않은 고체(S)와 이미 녹은 액체(L)가 함께 있는 구역. L + S로 적음.
- 죽처럼 걸쭉한 상태의 구간이라 여기면 됨.
4한 점을 잡아 상을 읽음
- 니켈 50 % 합금을 1,288 ℃로 가열한 경우 — 그 점은 L + S 구역 안.
- 그 점에서 수평선(tie line)을 그음.
- 액상선과 만나는 점 — 액체의 조성 42 %.
- 고상선과 만나는 점 — 고체의 조성 58 %.
전체가 50 %인데 42 %와 58 %인 까닭
- 액체 쪽은 니켈이 적고 고체 쪽은 니켈이 많음.
- 녹는점이 높은 니켈이 많은 성분이 먼저 굳기 때문.
- 합금이 한 온도에서 한꺼번에 굳지 않는 까닭이 여기에 있음.
- 정리하면 세 동작 — ㉠ 조성을 가로축에서 찾음, ㉡ 온도를 세로축에서 찾아 만나는 점이 어느 구역인지 봄, ㉢ 두 상이 함께 있으면 수평선을 그어 좌우 경계선과 만나는 조성을 읽음.
08고용체와 화합물, 그리고 Fe–C 상태도교재 37p
같은 철과 탄소라도 섞인 방식이 둘로 갈림.
- 고용체(solid solution) — 물에 소금이 녹아 소금물이 되듯, 고체 금속(용매)의 결정 구조 안에 다른 원소(용질)가 고르게 녹아 든 것.
- Fe–C 상태도에서는 탄소 원자가 철의 결정 격자 사이 틈에 파고들어 녹아 있는 상태.
- 온도에 따라 그 구조와 이름이 달라짐 — 어떤 이름으로 불리는지는 다음 편에서.
- 시멘타이트(Fe₃C) — 고용체가 아니라 철과 탄소가 일정한 비율로 결합한 화합물.
- 철 원자 셋에 탄소 원자 하나. 탄소 6.67 %로 조성이 고정됨.
- Fe–C 평형 상태도 — 가로축이 탄소 함유량, 세로축이 온도. 선이 많을 뿐 읽는 법은 구리–니켈과 똑같음.
- 강(steel) — 탄소 0.02 ~ 2.11 %인 철–탄소 합금.
- 주철(cast iron) — 탄소가 2.11 %를 넘는 것.
- 2장에서 강과 주철을 가른 경계 2.11 %가 이 상태도 위의 한 점이라는 것을 여기에서 확인할 수 있음.
- 이 상태도를 읽을 줄 아는 것 — 열처리 조건을 정하는 가장 기초.교재 37p
이 절의 핵심 정리
- 열처리는 가열과 냉각 조작으로 조직을 바꾸어 재료의 성질을 인위적으로 바꾸는 처리다. 원리를 알려면 철의 결정 구조와 탄소량에 따른 조직을 먼저 알아야 한다.
- 배위수가 클수록 원자가 빽빽하다. 체심 입방 격자(BCC)는 8 / 2개, 면심 입방 격자(FCC)는 12 / 4개, 조밀 육방 격자(HCP)는 12 / 6개이며 FCC와 HCP의 충진율은 똑같이 74 %다. 그런데도 연성이 갈리는 것은 미끄러질 면과 방향의 수가 다르기 때문이다.
- 순철의 변태점은 A₂ 768 ℃, A₃ 912 ℃, A₄ 1,394 ℃이고 용융점은 1,538 ℃다. A₃·A₄에서 일어나는 동소 변태는 결정 구조 자체가 바뀌지만, A₂의 자기 변태는 구조가 그대로인 채 자성만 바뀌며 잠열에 의한 수평 정체 구간으로 나타나지 않는다.
- 순철은 α철(BCC) → γ철(FCC) → δ철(BCC)로 변한다. 탄소가 고용된 γ철이 오스테나이트이며, FCC의 팔면체 침입 자리가 커서 페라이트보다 훨씬 많은 탄소를 고용한다. 강을 오스테나이트 영역까지 가열하는 까닭이 여기에 있다.
- 평형 상태도 읽기는 조성을 가로축에서, 온도를 세로축에서 찾아 만나는 점의 구역을 보고, 두 상이 함께 있으면 수평선을 그어 조성을 읽는 세 동작으로 끝난다. Fe–C 상태도에서 탄소 0.02 ~ 2.11 %가 강, 그보다 많으면 주철이다.
강의 자료3.1 ① 순철의 결정 구조와 Fe–C 상태도
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