|
⊙변태(transformation) ⇒ 같은 물질이 다른 상으로 변하는 것.
ex) 고체 ⇒ 액체 ⇒ 기체
⊙변태점 : 변태가 일어나는 온도
(1)금속 및 합금의 변태와 평형
1.동소변태(allotropic transformation)
★한 원소로 이루어진 물질에서 결정구조가 바뀌는 것
★일정온도에서 급속한 비연속적 변화 발생
★동소변태 금속 : Fe, Co, Ca, Sn, Ti
2.자기변태(magnetic transformation)
★원자배열의 변화없이 자성만 변함
★점진적 연속적 변화
★자기변태 금속 : Fe, Co, Ni
3.변태점의 측정 ⇒ 주로 열분석에 의한 열변화를 측정하여 변태점 산출
(기타방법 : 전기저항, 열팽창, 자성변화, X선 등)
(가)열분석(thermal analysis)법 ⇒ 일정한 속도로 가열,냉각할 때 온도와 시간과의 관계곡선으로부터 굴곡을 조사하여 변태점을 구하는 방법
(ㄱ)시간-온도곡선에 의한 방법
(ㄴ)시차 열분석법 : 열변화를 확대하여 측정
(나)전기 저항 측정법
●고체에서의 동소변태, 자기변태 측정에 가장 적합한 방법
●금속과 합금의 전기저항이 온도변화에 연속적이나 변태점에서는 불연속적인 성질을 이용한 방법
(다)열팽창 측정법
4.1성분계의 상평형과 상률
★상태도 : 주어진 조건(온도,압력,구조,성분)에 존재하는 물질의 상태를 알기 쉽게 표시해 놓은 도표
(가)1성분계의 상평형
●1성분계 상태도 : 순물질(단일성분)에 대한 상태도
●3중점(triple point) : 기상, 액상, 고상이 함께 존재하는 점
ex)물의 3중점(0.006기압, 0.0075℃)
(나)상률
●깁스(gibbs)의 상률
F = C+2-P(일반물질)
F = C-P+1(금속)
(C=구성물질의 성분수, P=존재하는 상의 수, F=자유도)
●F=0(불변계), F=1(1변계), F=2(2변계)
5.물질계와 계의 평형
(가)물질계
●계(system) : 하나 혹은 몇 개의 물질이 독립해서 한 상태를 이루는 것
●균일계(단상계) : 전체가 거시적으로 균질한 것
●불균일계(다상계) : 단상계가 여러개 모인 복합계
●성분(component) : 계를 구성하는 물질의 종류
●조성(composition) : 성분의 양의 비
(나)계의 평형
●역학적 평형의 예 : 쇠구슬이 산꼭대기에서 골짜기의 가장 낮은 곳으로 떨어졌을 때
●열평형 : 뜨거운 물체가 찬 물체와 접촉하여 동일한 온도가 되었을 때
●화학평형 : 짠 국물에 물을 더 부어 간이 알맞게 되었을 때
※완전한 열역학적 평형 : 역학적, 열 및 화학평형이 동시에 이루어진 평형
(2)합금
⊙합금(alloy) : 금속-금속 or 금속-비금속 원소가 합쳐져서 금속적 특성을 나타내는 것
⊙합금의 특징
①용융온도가 낮아진다.
②경도가 커진다.
③전기,열 전도율이 떨어진다.
⊙합금의 분류
①주체 금속에 따라 : Fe합금, Cu합금, Al합금
②합금 특성에 따라 : 내열합금, 내식합금, 경합금
③응고 상태에 따라
㉠단상합금 : 고용체(solid solution), 금속간 화합물(intermetallic compound)
㉡2상합금
㉢다상합금
1.고용체
★용체
한 물질이 다른 물질에 용해되어 균일한 물질로 된 것
★용액(solution) : 액체인 용체
★고용체(solid solution) : 고체 용체
㉠침입형 고용체 : 강, 질화강
※침입형 원자 : C, H, O, N, B
㉡치환형 고용체 : Ag-Cu, Cu-Zn
※규칙격자형 고용체 : ,Cu3Au, CuAu, CuAu3
2.금속간 화합물
★2종 이상의 금속원소가 원자의 정수비로 결합되어 성분 금속과는 다른 성질을 가진 독립된 화합물
★매우 단단하며 높은 용융점을 가진다.
ex)WC(초경공구 재료)
3.공정과 공석
(가)공정(eutectic)
일정한 온도에서 한 액체로부터 두 종류의 고체가 동시에 정출해 나온 혼합물
ex) C4.3%주철은 1130℃에서 레데부라이트
※레데부라이트=오스테나이트+시멘타이트(혼합물)
 
(나)공석(eutectoid)
일정한 온도에서 한 고용체로부터 두 종류의 고체가 일정한 비율로 동시에 석출해서 생긴 혼합물(주로 층상조직)
ex) C0.8%강은 723℃에서 오스테나이트로부터 펄라이트 석출
※펄라이트=페라이트+시멘타이트
4.금속의 상 변태
★상 변태(phase transformation)
온도,압력의 변화에 의해 결정구조가 바뀌는 것
|
고온 |
온도강하 |
저온 |
|
단상평형상태 |
응고
동소변태
석출
규칙격자 생성
공정반응
공석반응
마텐자이트 변태 |
저온평형상태 |
★확산형 상변태 : 개개의 원자가 열적으로 활성화된 이동으로 일어나는 변태
ex)공석변태, 석출현상, 순금속의 동소변태
(3)평형상태도
1.상태도 보는 법
(가)액상선과 고상선
(나)합금 조성의 표시
(ㄱ)천칭관계
(ㄴ)무게비
M금속 m⒢과 N금속 n⒢의 합금에서
·M금속의 무게비(%)=m/(m+n)×100
·N금속의 무게비(%)=n/(m+n)×100
(ㄷ)원자비
M, N금속의 원자수를 각각 p,q 라 할 때
·M금속의 원자비(%)=p/(p+q)×100
·N금속의 원자비(%)=q/(p+q)×100
(다)용해도 곡선
2.전율 고용체계 합금
3.공정계 합금
(가)두 성분이 순수하게 정출되는 경우
ex)Au-Th, Ag-Pt, Au-Bi, Pb-Sn, Cu-Ag
(나)고용체가 정출되는 경우의 공정계 상태도
ex)Cu-Au, Al-Si, Ag-Cu, Au-Ni, Au-Co, Cd-Sn
4.금속간 화합물계 합금
ex)Fe3C, Ni3Al, Mg2Sn,MgZn2, Ca3Mg4
5.편정계 상태도
★편정 반응(monotectic reaction)
※액상(A)⇒고상+액상(B)
6.포정계 상태도
★포정 반응(peritectic reaction)
※고상(A)와 이를 둘러싼 액상의 작용으로 고상(A) 둘레에 고상(B)를 형성하는 반응
※포정반응을 일으키는 금속 : Ag-Cd, Fe-Au, Al-Cu등
공간격자 (Space lattice)
각 점이 같은 환경을 가지면서 공간적으로 배열한 격자점의 집합.
단위포 (Unit cell)
공간격자의 성질을 가진 격자점의 집합중 제일 적은 단위.
전위 (Dislocation) = 선결함 (Line defect)
칼날전위, 나선전위, 혼합전위가 있다.
금속결정의 소성변형, 강도와 밀접한 관계를 가짐.
고용체
고체와 고체와의 균일한 혼합물.
고용체는 순금속에 비해 경도와 강도가 크다. (지름차이에 의한 뒤틀림)
1. 치환형 고용체 (Substitutional solid solution)
용매원자가 용질원자에 치환.
원자반경의 크기차이가 15%이하 일때 생김.
용매와 용질이 동일결정구조일 때 쉽게 고용체 형성.
-> 이를 벗어날 때 고용도의 한계.
2. 침입형 고용체 (Interstitial solid solution)
용질원자가 용매원자의 결정격자 사이에 침입.
용질원자의 지름이 작을 때 발생. (H,B,C,N,O)
Ex) 고온에서는 Fe가 Fcc 구조로 C가 쉽게 침입하여 고용체 형성.
금속간화합물 (Intermetallic compound)
친화력이 큰 성분 금속의 화학적 결합.
각 성분 금속과는 현저히 다른 성질.
금속광택과 소성변형 가능. (세라믹과 다름)
경도가 큰 금속간 화합물은 공구재료로 사용.
확산의 조건
인접한 자리가 비어 있어야 함.
충분한 에너지(진동에너지) 필요.
계 (System)
한 물질 or 몇 개의 물질의 집합이 외부와 관계없이 독립해서 한 상태를 이룰 때 그것을 물질의 계라 한다.
상 (Phase)
재료의 일부분으로서 구조적으로 또는 성분상 다른 부분과 구별되는 부분.
(물리적, 화학적 성질이 균일한 계의 균질한 부분.)
액상선 (Liquidus)
상태도에서 그 이상의 온도에서는 모든 조성들이 액체가 되는 온도의 궤적.
고상선 (Solidus)
상태도에서 그 온도 이하에서는 모든 조성들이 고체가 되는 온도의 궤적.
전율고용체
액상과 고상에서 두 금속이 어떤 비율에서도 완전히 서로 고용이 됨.
공정반응 (Eutectic reaction)
2 성분계에서 3상 ( 액상,고상 [ 고용체] )이 관여하는 반응으로서 용융 액체가 남아있을 최저온도를 공정온도라 하며
이 낮은 액체의 조성을 공정조성이라 함.
반응 : 액상 <->  고용체 +  고용체 (일정온도에서 액상이 2개의 고상으로 정출.)
포정반응 (Peritectic reaction)
합금을 용융상태에서 냉각하면 정출된 고용체와 공존하는 용액이 서로 반응을 일으켜 새로운 다른 고용체를 형성.
반응 : 액상 +  고용체 <->  고용체 (일정온도에서 액상과 하나의 고상이 다른 1개의 고상으로 정출.)
2원계 상태도에서 나타나는 3상 불변계 반응의 유형
공정 : L <->  + 
공석 : <-> + 
포정 : L + <->
포석 : + <->
용체 :
균일한 상(相)을 만들고 있는 혼합물을 말함. 상(相)이 액상일 때는 용액, 고상일 때는 고용체, 기상일 때는 혼합기체라 함. | 
2000년 1학년 금속재료 < 2. 금속의 변태와 상태도 >