기계재료학 (열번째시간)

2) 상태도 읽는 법

 금속 또는 합금의 상태도는 보통 액체와 고체의 상태를 나타낸다. 평행상태도를 이해하게 되면 금속이 액체 상태에서 고체 상태로 되는 과정과 고상으로 되었을 때, 조직적으로 어떤 모습을 하고 있는가를 상태도에서 읽을 수가 있다.

 또한, 평행상태도를 이해하여 읽을 수 있게 되면 금속이나 합금의 성질과 상태를 알아내고 그 성질을 변경시키거나 결정조직을 조정할 수 있을 뿐만 아니라, 사용 목적에 알맞은 금속재료를 얻기 위한 열처리 방법 등도 알 수 있다.

 (1) 액상선과 고상선

 순금속의 응고는 일정한 온도에서 이루어지는 데 반해, 합금의 경우는 어떤 온도 구간 사이에서 이루어지는 것이 일반적이다.

 상기 그림의 (a) 는  A금속의 용융 상태에서의 열분석 곡선과 A금속에 B금속을 합금한 열분석 곡선 2개 및 B금속의 열분석 곡선을 나타낸 것이다.  A, B의 순금속은 온도 TA 와 TB에서 응고가 시작되고, A금속 중 P(%)의 B금속을 합금한 경우에는 Lp 및 Sp의 두 점에서 꺾인 점이 나타나는데, 이 합금은 Lp온도에서 응고가 시작되어 Sp온도에서 응고가 완료됨을 나타내고 있다.

 또,  A금속 중에 q(%) 의 B금속을 합금한 것은 꺾인 점이 Lq와 Sq의 두 점에서 일어난다. A, B 금속 및 여러가지 비율의 두 합금에 대하여 위의 Lp, Lq와 같은 점을 구하고, 이것을 합금의 농도와 대응하는 점에 그림으로 나타내면 상기 그림(b)와 같이 2개의 굵은 곡선 TA, Lp, Lq, TB와 TA, Sp, Sq, Tb를 얻을 수 있다.

 이들 2개의 곡선 중 고온 쪽에 있는 상측의 곡선은 액상에서 고상이 나타나는 온도를 표시하고 있다. 즉 이 곡선에서 윗쪽은 전부 액상으로 존재하므로 이 곡선을 액상선이라 하고, 이들 A, B 두 성분의 합금은 아래 그림과 같이 액상선보다 위의 온도에서는 모두 액체이고, 고상선 이하에서는 모두 고체이다. 그리고 액상선과 고상선의 사이에서는 고체와 액체의 두 상이 공존하게 된다.

 (2) 평형 관계

 2성분계에서는 조성이 중요한 변수가 된다. 따라서 2차원적으로 평형 관계를 나타낼 때에는, 한쪽의 좌표를 성분으로 하면 다른 변수는 온도 또는 압력이 된다.

 금속의 경우에는 압력에 의한 평형관계의 변수가 적으므로 압력을 변수에서 제외시켜서, 성분과 온도의 좌표로 평형관계를 나타낸다. 따라서 그 성분계의 평형상태도에서는 자유도는 다름 식과 같다.  F  =  n  +  1  -  P  =  3  -  P  가 된다.

 즉 2성분계에서는, 상의 수 P가 1인 경우는 자유도 F는 2가 되므로, 온도와 조성을 독립적으로 변화시킬 수 있다. 3상이 공존하는 경우에는 자유도는 0이므로 온도와 조성이 일정하다.

 2성분계 상태도에서 조성을 나타낼 때에는 아래 그림과 같이 횡축의 양단에 A및 B금속을 생각하고, 그 길이를 100%로 하여 조성을 나타낸다. 그림에서 A금속와 B금속의 합금을 C라 하면

의 합금이 된다.

 그림에서 C는 A점에 가까워질수록 A금속의 농도가 커지고 B금속의 농도는 적은 비율의 합금이 된다.

따라서 합금의 성분비율은 A금속 : B금속 = B : A 와 같이 역의 비례관계를 갖는다. 즉 그림에서와 같이 C의 눈금이 40이라면, B의 농도는 40% 이고, A의 농도는 60%가 된다. 따라서 C점은 A금속 : B금속 = 60 : 40 의 조성을 갖는 합금을 나타낸다.

 2성분계의 상태도에서 수평한 선분은 중요한 의미를 갖는다. 즉 평형 관계와 평형 상태에 있는 상의 성분, 그리고 질량비 등을 나타낸다.

 (3) 합금의 냉각과정과 상태도의 관계

 아래 그림에서 합금 C를 고온의 용융 상태에서 서서히 냉각할 때의 과정을 상태도에 나타내면 그림에서와 같이 액상선과 교차하는 온도인 T₁℃ 이상에서 균일한 액체상태인 것이 T₁℃의 온도에 달하면 응고가 시작된다. 여기서는 액상선과의 교점 L₁을 거쳐 옆으로 연장한 선이 고상선과 만나는 점 S₁에 상당한 성분, 즉 (S₁)의 성분의 합금이 정출하여 고상화가 시작된다. 계속하여 온다가 T₂℃까지 내려가게 되면, 점 T₂에서 옆으로 연장한 선이 액상선 및 고상선과 교차하는 점 L₂, S₂ 에 상당한 융태 금속과 고체 금속이 혼합된 상태가 된다.

 순금속 A, B의 경우에는 그림A' 및 B' 의 정해진 온도에서 응고하게 되는데 합금의 경우에는 응고가 시작되어 전부 응고될 때까지 온도의 강하는 지속된다. 이 사이(L₁ ~ S₃사이)에는 어느 정도의 온도차가 있게 되는데, 이것을 응고구간이라 한다.

 그리고, 온도 T₂℃에서는 융체 L₂와 고체 S₂가 공존하고 있으나 합금 농도의 양적 비율은 다음과 같이 천칭관계가 성립된다.

                    ____  ____

 즉, L₂ : S₂ = T₂S₂ : L₂T₂ 와 역의 관계가 된다.

 더 온도가 내려가 T₃℃ 가 되면 고상선과 S₃점이 만나게 되는데, 이 점에서는 융체금속은 전부 응고를 완료하게 된다.