가스텅스텐아크용접기능사 금속의 변태와 상태도 및 기계적 성질 — 응고 순서·Fe-C 반응과 고용체

용접금속의 용융부는 모재와 맞닿은 경계에서 결정핵이 생기고, 그 핵을 중심으로 나뭇가지 모양의 수지상정이 자란 뒤, 자란 결정립들이 서로 만나 결정경계를 이룬다. 핵이 생기기 전에 결정이 자랄 수는 없으므로 결정핵 생성 → 수지상정 성장 → 결정경계 형성 순서가 옳다.

금속은 대부분 응고할 때 부피가 줄어들지만 비스무트는 물처럼 오히려 팽창한다. 규소와 안티몬도 같은 부류다. 비스무트는 이 성질 덕분에 금형을 빈틈없이 채워야 하는 활자 합금이나 정밀 주조에 쓰인다. 주석·아연·몰리브덴은 보통 금속처럼 응고할 때 수축한다.

상은 어느 부분이나 성질이 균일하고, 다른 부분과 불연속으로 구분되며, 분명한 경계를 가지는 분자·원자의 집합 상태다. 계는 관찰하려고 정한 대상 전체를 뜻하고, 상률은 성분 수와 상 수로 자유도를 구하는 규칙이며, 농도는 섞인 성분의 비율이라 상과 다른 개념이다.

Fe-C 평형상태도에는 세 가지 평형반응이 나타난다. 포정반응은 액체와 δ철이 만나 오스테나이트를 만드는 반응(약 1493℃)이고, 공정반응은 액체가 오스테나이트와 시멘타이트로 굳는 반응(1147℃), 공석반응은 오스테나이트가 페라이트와 시멘타이트로 갈라지는 반응(727℃)이다. 인장·압축이나 전단·굽힘은 재료 시험의 하중 용어라 상태도의 반응이 아니다.

탄소량으로 강과 주철을 나눈다. 아공석강은 0.025~0.8% C이고, 0.8% C가 공석강이며, 0.8~2.0% C는 과공석강이다. 2.0% C 이상은 주철로, 2.0~4.3%는 아공정주철, 4.3~6.67%는 과공정주철이다. 아공석강의 조직은 페라이트와 펄라이트이고, 탄소가 많아질수록 펄라이트 비율이 늘어난다.

구리는 상온에서 면심입방격자(FCC)다. FCC에는 구리·알루미늄·니켈·금·은·납·γ철이 속하고, 크롬·몰리브덴·텅스텐과 상온의 α철은 체심입방격자(BCC), 마그네슘·아연·티타늄은 조밀육방격자(HCP)다. FCC는 슬립이 일어날 수 있는 면과 방향이 많아 힘을 가하면 잘 미끄러져 변형되고 잘 끊어지지 않는다. 이 전연성 덕분에 압연이나 인발 같은 가공성이 좋다. 취성은 부러지기 쉬운 성질이라 가공성과 반대이고, 내식성과 전기전도성은 가공의 어려움과 직접 관계가 없다.

금속은 비금속보다 비중이 큰 것이 공통 특성이다. 마그네슘이나 알루미늄처럼 가벼운 금속도 있지만 전체 금속의 공통 특성으로 '비중이 작다'고 말할 수는 없다.

담금질은 강을 변태점 이상으로 가열해 오스테나이트 조직을 만든 뒤 물이나 기름에 급냉해 마르텐사이트를 얻는 열처리다. 가열 온도의 기준이 변태점이므로 담금질은 변태점과 관계가 깊다. 금속간 화합물과 고용체는 합금의 조직을 설명하는 용어이고, 열전대는 온도를 측정하는 도구다.

고용체는 원자가 섞이는 방식에 따라 치환형과 침입형으로 나뉜다. 치환형은 크기가 비슷한 원자끼리 자리를 바꾸어 섞이고, 침입형은 원자 반지름이 매우 작은 원소가 결정격자의 틈새에 들어간다. 수소·붕소·탄소·질소·산소가 침입형에 해당하며, 불소는 금속에 고용되지 않고 금속과 화합물을 만드는 할로겐 원소라 침입형 고용체를 이루지 않는다.