개요
탄소 C와 철 Fe의 합금인 재료 즉, 강(Steel)은 우리 일상생활에 아주 흔하고 다양하게 볼 수 있다. 그러나 철-탄소계만을 위해서 이야기해야 하는 것은 아니다. 철-탄소계는 많은 형태의 고상 변태를 나타내고 있다. 이는 그들 스스로가 중요함에도 불구하고 다른 이원계에서 유사한 과정을 이해하기 위한 기초를 형성하고 있다.
철-탄소계는 철과 흑연의 이원계이다. 그러나 매우 느린 냉각 속도조차도 흑연이 형성되도록 하기에는 너무 빠르다. 그래서 바로 그 흑연이 형성될 곳에서 준안정 철 카바이드가 형성된다. 이 화합물은 Fe3C 형태를 가지고 시멘타이트라고 불린다. 이것은 6.67w/o 탄소를 포함한다. 이원계 상태도는 통상 준안정 형태로 나타내어지고, 상경계는 철과 철 카바이드 사이 준안정 평형으로 언급된다. 실제 평형은 상태도에서 점선으로 나타내어진다.
* 탄소는 두 가지 결정학적 형태, 흑연과 다이아몬드로 존재한다. 철-탄소계는 탄소의 흑연 형태를 포함한다.
순철(pure iron)
순철은 세 가지 고체 형태를 나타낸다. 이중 두 가지는 체심입방구조이고, 나머지는 면심입방구조이다. 하나의 고상으로부터 다른 고상으로 물질의 변태를 동소변태라고 부른다. 이 변태는 하나의 고상으로부터 다른 고상으로의 얼음의 변태와 유사하다. 그러나 그것은 조성변화를 동반하지 않는다는 점에서 먼츠금의 변태와 다르다.
δ-상을 더 가열하면 1528℃에서 용융된다. 이러한 상 변태는 순철의 압력-온도 상태도로부터 예측된다. α-상은 페라이트라 불린다. γ-상은, 오스테나이트. 그리고 δ-상은, δ-페라이트이다. γ-상은 체심입방이므로, 더욱더 조밀하게 충진되어 있고 페라이트보다 낮은 비체적을 가진다. 이것은 매우 재미있는 실험으로 이어진다. 만약 철선을 전기적으로 가열한다면, 온도가 증가함에 따라 페라이트가 팽창하므로 처음에는 늘어난다. 그리고 철사는 페라이트가 오스테나이트로 변태할 때 팽팽해지면서 길이는 감소한다. 냉각 시에는 역작용을 볼 수 있다. 오스테나이트 철사는 냉각함에 따라 더 짧아지고 변태 온도에서는, 갑자기 축 늘어진다. 그리고 새로운 밝기로 백열 빛을 낸다. 오스테나이트로부터 페라이트 변태 시 수반되는 이러한 열의 방사는 '재휘현상' 으로 언급된다.
강(steels)
대부분 강의 조성은 0.1에서 1.25w/o 탄소 범위 내에있다. 그러나 강은 단순한 이원계 합금이 아니다. 그들은 많은 원소를 포함한다. 어떤 것은 의도적으로 포함한 것이고 다른 것들은 제거하기가 어려워 포함된 것들이다. 일반탄소강은 주로 철-탄소 합금이다. 그러나 어떠한 원하는 특성을 성취하기 위해 특정한 합금원소가 첨가되는 다른 강들도 있다.
강을 구별하기 위해서는 보통 코드수가 주어진다. 일반탄소강은 접두수 10으로 표시되는데, 이것은 일반적인 탄소를 나타낸다. 그리고 두자리 접미수 나타낸다. 접미수는 강의 탄소 농도를 나타내고 탄소점으로 표현된다. 탄소점이란 탄소 퍼센트의 100배이다. 예를 들면 0.40w/o 탄소를 함유하는 강은 40 탄소점을 포함하고 있다. 만약 일반탄소강이면, 1040강으로 구별된다. 공석 조성은 0.80w/o C이고, 공석 일반탄소강은 1080으로 표시된다.
서냉(slow cooling) 시 오스테나이트의 변태
강에서 가장 중요한 반응은, 여러 다른 속도로 냉각시킬 때 오스테나이트(γ-상)의 분해를 포함한다. 대부분 열처리는 오스테나이트를 포함하는 상태도의 영역에서 수행된다. 예를 들어, 매우 느린 냉각 속도, 로랭이 적용된다면, 결과적으로 나타나는 미세조직은 상태도의 고상 변태로부터 예견된다. 보다 빠른 냉각 속도가 사용된다면, 미세조직과 상 변태를 예견하는데 상태도는 충분치 않다.
공석강(eutectoid steel)
0.80w/o C를 포함하는 공석강(1080) 시편을 생각해 보자. 723℃, 즉 공석 온도 이상의 온도에서, 시편은 오스테나이트(체심입방체)이다. 723℃에서, 전체 합금은 공석 미세구성물을 형성하면서 등온변태 한다. 공석은 페라이트(체심-입방)의 Fe3C로 구성된다. 철카바이드는 시멘타이트라고 불리는데 사방정 결정구조를 가진다. 이 계에서 공석 미세구성물은 펼라이트라 불리는데, 왜냐하면 이는 금속 조직적으로 관찰될 때 진주모를 닮았기 때문이다. 펄라이트는 세멘타이트의 페라이트가 격층으로 쌓인 층상 또는 판상으로 구성되어 있는데, 그것은 반점 또는 작은 덩이 형상이다. 우리는 공정 온도에서 지렛대법칙을 적용함으로써 공석 미세구성물 안에 있는 페라이트와 시멘타이트의 분율을 계산할 수 있다.
공석은 대략 페라이트가 시멘타이트보다 일곱 배 정도 많다. 그리고 페라이트 층상의 두께는 시멘타이트 층상의 두께보다 일곱 배 정도 두껍다. 낮은 배율에서 개개의 층상구조는 볼 수 없다. 그러나 높은 배율에서는 시멘타이트의 판상은 검은 선들로 나타난다.