강의 주요 조직과 공석 반응 | 기계공작법 3.1-2
기계공작법Chapter 03 열처리와 표면 처리 › Section 01
3.1 ② 강의 주요 조직과 공석 반응
앞 편에서 읽는 법을 익힌 상태도 위에 이제 이름을 올린다. 여섯 조직과 네 변태선, 그리고 온도가 멈춘 채 일어나는 세 반응이 이 절의 전부다.
01속도가 조직을 가름교재 38p
성분이 같아도 식히는 속도가 다르면 남는 조직이 달라짐. 여섯 이름이 여기에서 갈림.
- 조직(structure) — 현미경으로 관찰되는 금속 내부의 결정 배열 모양.
- 강을 가열하거나 냉각하는 속도가 달라지면 관찰되는 조직도 달라짐.
- 앞 편에서 본 고용체와 화합물이 여기에서 저마다 이름을 얻음.교재 38p
- 시험이 되풀이해 묻는 것 — 두 가지뿐.
- 각 조직이 어떤 결정 구조와 조성을 갖는지.
- 어떤 조건에서 생기는지.
여섯 조직을 두 묶음으로
- 상태도에 이름이 적힌 셋 — 페라이트 · 오스테나이트 · 시멘타이트. 상태도 위에서 자리를 짚을 수 있음.
- 식히는 조건이 만드는 셋 — 펄라이트 · 베이나이트 · 마르텐사이트. 냉각 속도와 유지 온도로 갈림.
- 외우는 요령 — 앞 묶음은 어디에 있는가, 뒤 묶음은 어떻게 식혔는가로 묶기.
02상태도에 이름이 적힌 세 조직교재 38p
앞 편의 α철·γ철에 탄소가 녹아 든 뒤 붙는 이름, 그리고 화합물 하나.
| 조직 | 정체 | 탄소량 | 성질 |
|---|---|---|---|
| 페라이트 (ferrite) |
α 고용체. BCC인 α철에 탄소가 고용된 것. | 상온에서 약 0.008 % | 강의 조직 가운데 가장 무름. 연성이 크고 768 ℃까지 강자성체. 현미경 조직이 백색. |
| 오스테나이트 (austenite) |
γ 고용체. FCC인 γ철에 탄소가 고용된 것. | 최대 2.11 % | A₁ 변태점 이상의 고온에서 나타남. 끈기가 있고 연신율이 커서 가공하기 좋은 비자성체. |
| 시멘타이트 (Fe₃C) |
고용체가 아니라 철과 탄소의 화합물. | 6.67 %로 고정 | 철강의 표준 조직 가운데 가장 단단함. 취성이 대단히 큼. 층상 또는 망상으로 나타남. |
- 페라이트와 오스테나이트 — 탄소를 품은 고용체. 품는 양에 한계가 있음.
- 시멘타이트 — 탄소와 결합한 화합물. 비율이 고정되어 있어 탄소량이 변하지 않음.
- 열처리에서 가열의 목표가 되는 조직 — 오스테나이트.
- 까닭 — 탄소를 2.11 %까지 받아들여, 식히는 방법 하나로 여러 조직을 만들어 낼 수 있기 때문.
03식히는 조건이 만드는 세 조직교재 38p
출발점은 모두 오스테나이트. 대체로 빠르게 식힐수록 단단해지고 연성은 줄어듦.
1펄라이트 — 천천히 냉각
- 펄라이트(pearlite) — 탄소 0.77 % 부근의 공석강이 A₁ 변태점을 지나 서서히 식을 때 생기는 조직.
- 페라이트와 시멘타이트가 번갈아 겹친 층상 조직.
- 경도와 강도가 알맞게 조화된 강인한 조직.
2베이나이트 — 항온 변태
- 베이나이트(bainite) — 일정한 온도에 붙들어 두는 항온 변태 구역에서 생기는 조직.
- 페라이트와 미세한 탄화물이 섞인 혼합 조직.
- 경도가 높으면서도 인성이 커서 기계적 성질이 우수.
3마르텐사이트 — 급랭
- 마르텐사이트(martensite) — 오스테나이트 상태에서 갑자기 식힐 때 생기는 조직.
- 탄소가 빠져나가지 못한 채 갇혀 과포화된 침상 조직.
- 담금질로 얻는 조직 가운데 가장 단단하지만 연성이 적은 강자성체.
한 출발점, 세 도착점
- 같은 오스테나이트에서 출발해도 어떻게 식히느냐에 따라 전혀 다른 조직이 남음.
- 느린 냉각이면 펄라이트, 항온 유지면 베이나이트, 급랭이면 마르텐사이트.
- 이 갈림을 곡선 위에서 보는 것이 다음 절의 TTT와 CCT.교재 41p
04네 개의 선에 붙은 이름교재 39p
Fe–C 상태도에 그어진 선 — 조직이 다른 조직으로 바뀌는 경계. 열처리 온도는 모두 여기에서 나옴.
| 기호 | 온도 | 뜻하는 경계 |
|---|---|---|
| A₀ | 약 210 ℃ | 시멘타이트의 자기 변태점. 이 온도보다 낮으면 시멘타이트가 강자성을 띰. 결정 구조가 바뀌지 않으므로 조직 변화와는 무관. |
| A₁ | 727 ℃ | 실용 강의 범위에서 탄소량에 관계없이 수평으로 나타나는 선 — 공석선. 이보다 낮은 온도가 되면 오스테나이트가 페라이트와 시멘타이트의 혼합 조직으로 변태. |
| A₃ | 912 → 727 ℃ | 아공석강의 선. 탄소 0.77 % 미만인 강을 가열할 때 페라이트가 오스테나이트로 변태를 마치는 경계. 탄소량이 늘수록 낮아져 공석점에서 A₁ 선과 만남. |
| Acm | 727 → 1,147 ℃ | 과공석강의 선. 시멘타이트가 오스테나이트 속으로 완전히 녹아 드는 경계. 탄소량이 늘수록 높아져 2.11 %에서 1,147 ℃에 이름. |
- 앞 편의 A₂(768 ℃) — 탄소가 없는 순철의 자기 변태점. 여기의 네 선은 탄소가 들어온 강의 선.
- 순철에는 탄소가 없으므로 A₁ 변태가 나타나지 않음.
- 이름을 외워야 하는 까닭 — 담금질·풀림·불림의 가열 온도가 모두 이 변태점을 기준으로 정해지기 때문.
05데울 때와 식힐 때가 어긋남교재 39p
같은 A₃라도 잰 값이 둘. 기호 뒤에 붙는 글자 하나가 그 구별.
- 이력(hysteresis) — 같은 변태인데도 가열할 때 잰 값과 냉각할 때 잰 값이 어긋나는 현상.
- 까닭 — 변태가 곧바로 일어나지 않고 조금씩 늦기 때문.
- 결과 — 냉각 쪽에서 잰 온도가 가열 쪽보다 낮게 나타남.
- 가열·냉각 곡선에서 평평해지는 구간 — 넣거나 내보내는 열이 변태에 쓰여 온도가 잠시 멈추기 때문.
- A₂의 자기 변태 — 잠열이 오가지 않아 평평한 구간 없이 기울기만 살짝 꺾임.
1Ac₃ — chauffage
- c — 가열을 뜻하는 프랑스말 쇼파주에서 온 글자.
- 가열할 때 관측한 값.
- 변태가 조금 늦게 일어나므로 Ar₃보다 높게 나타남.
2Ar₃ — refroidissement
- r — 냉각을 뜻하는 르프루아디스망에서 온 글자.
- 냉각할 때 관측한 값.
- 역시 변태가 늦어 Ac₃보다 낮게 나타남.
3Ae₃ — equilibrium
- e — 평형을 뜻하는 이퀼리브리엄에서 온 글자.
- 상이 평형을 이룬 상태에서의 값.
- 두 관측값의 산술 평균이 아니라 열역학적으로 정해지는 평형 온도.
세 기호를 가르는 한 줄
- Ac와 Ar — 실제로 재서 얻은 관측값.
- Ae — 계산으로 정해지는 평형값.
- 실제 열처리는 언제나 관측값 쪽에서 일어남.교재 39p
06온도가 멈춘 채 일어나는 세 반응교재 40p
하나의 상이 한꺼번에 둘로 갈라지거나, 둘이 만나 하나가 되는 자리.
| 반응 | 탄소 · 온도 | 식 | 생기는 것 |
|---|---|---|---|
| 공석 반응 | 0.77 % · 727 ℃ | γ → α + Fe₃C | 고체 하나가 두 고체로 갈라짐. 생기는 조직이 펄라이트. |
| 공정 반응 | 4.3 % · 1,147 ℃ | L → γ + Fe₃C | 액체가 중간 과정 없이 곧바로 두 고체로 응고. 생기는 조직이 레데뷰라이트. |
| 포정 반응 | 0.17 % · 1,495 ℃ | δ + L → γ | δ철과 액체가 만나 하나의 새로운 고체인 오스테나이트가 됨. |
이름이 헷갈릴 때
- 갈라지는 쪽이 고체면 공석.
- 갈라지는 쪽이 액체면 공정.
- 고체와 액체가 합쳐지면 포정.
- 주철이 강보다 낮은 온도에서 녹아 주조하기 좋은 까닭 — 1,147 ℃의 공정점에 있음.
07공석 변태 — 오스테나이트에서 펄라이트로교재 40p
셋 가운데 열처리에서 가장 자주 다루는 반응. 가로축이 탄소량, 세로축이 온도.
- 공석점 — A₃ 선과 Acm 선이 V 자로 만나는 꼭짓점. 탄소 0.77 % · 727 ℃.
- 공석강 — 바로 이 조성을 가진 강.
- V 자 양옆 — 두 상이 함께 있는 구역.
- 탄소가 적은 쪽 — 페라이트와 오스테나이트가 공존.
- 탄소가 많은 쪽 — 오스테나이트와 시멘타이트가 공존.
- 공석강이 727 ℃보다 높은 온도에 있을 때 — 오스테나이트 한 가지뿐.
- 여기에서 식으면 오스테나이트가 페라이트와 시멘타이트로 갈라짐.
- 그 둘이 번갈아 겹쳐 층을 이룬 것 — 펄라이트.
- 한 고체가 두 고체로 나뉘는 이 과정이 곧 공석 변태.
08공석점을 기준으로 갈리는 강의 이름교재 40p
탄소 0.77 %가 경계. 먼저 나오는 조직이 무엇이냐로 이름이 갈림.
| 이름 | 탄소량 | 냉각할 때 지나는 선 | 최종 조직 |
|---|---|---|---|
| 아공석강 | 0.77 % 미만 | A₃ 선을 지나며 페라이트가 먼저 나옴. | 초석 페라이트 + 펄라이트 |
| 공석강 | 0.77 % | 727 ℃에서 한꺼번에 갈라짐. | 남는 것 없이 전부 펄라이트 |
| 과공석강 | 0.77 % 초과 | Acm 선을 지나며 시멘타이트가 먼저 나와 결정립을 그물처럼 둘러쌈. | 초석 시멘타이트 + 펄라이트 |
- 초석(proeutectoid) — 공석 반응보다 먼저 나온다는 뜻. 먼저 나온 쪽에 붙이는 말.
- 아공석강에서 초석 페라이트가 나온 뒤 — 남은 오스테나이트의 탄소가 0.77 %에 이르러 펄라이트가 됨.
옛 표기와 지금 표기
- 고등학교 교과서와 옛 문헌 — 공석점을 0.8 % · 723 ℃, 공정점을 4.3 % · 1,130 ℃로 적기도 함.
- 어느 값으로 물어도 가리키는 점은 같음.
- 대비 요령 — 두 표기를 함께 알아 둘 것.교재 40p
이 절의 핵심 정리
- 강의 여섯 조직은 페라이트·오스테나이트·시멘타이트·펄라이트·베이나이트·마르텐사이트다. 앞의 셋은 상태도에 이름이 적혀 있고, 뒤의 셋은 냉각 속도와 유지 온도가 만든다.
- 페라이트는 BCC인 α철에 탄소가 상온에서 약 0.008 % 고용된 가장 무른 조직이고, 오스테나이트는 FCC인 γ철에 탄소가 최대 2.11 %까지 고용된 비자성체로 열처리 가열의 목표가 된다. 시멘타이트는 탄소 6.67 %로 고정된 화합물이며 가장 단단하지만 취성이 크다.
- 네 변태선은 A₀ 약 210 ℃, A₁ 727 ℃, A₃ 912 → 727 ℃, Acm 727 → 1,147 ℃다. A₁은 탄소량에 관계없이 수평인 공석선이고, 순철에는 탄소가 없어 A₁ 변태가 나타나지 않는다.
- 기호 뒤의 c는 가열, r은 냉각이며 둘 다 실제로 잰 관측값이다. 변태가 늦어 Ac가 Ar보다 높게 나타나는 현상이 이력이고, 평형값은 Ae로 적는다.
- 온도가 멈춘 채 일어나는 세 반응은 공석(0.77 % · 727 ℃ · γ → α + Fe₃C), 공정(4.3 % · 1,147 ℃ · L → γ + Fe₃C), 포정(0.17 % · 1,495 ℃ · δ + L → γ)이다. 공석점을 기준으로 아공석강은 초석 페라이트가, 과공석강은 초석 시멘타이트가 먼저 나오고 나머지가 펄라이트가 된다.
강의 자료3.1 ② 강의 주요 조직과 공석 반응
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