개념 한 쪽
제선기능사 금속의 변태와 상태도 및 기계적 성질 — 변태·상태도·기계적 성질 핵심
금속의 상변태와 상태도는 재료의 상과 기계적 성질을 이해하는 기본 틀을 제공한다. 열처리와 가공에서 나타나는 회복·재결정·결정성장 같은 미세조직 변화와 철의 동소체, 펄라이트 생성 메커니즘, 자성체의 구분 등은 시험에서 자주 확인하는 핵심 내용이다.
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뜻
고온에서 가공한 금속은 내부 결함과 에너지 상태가 변화하며, 미세조직 변화는 일정한 순서로 진행된다는 점을 이해해야 한다. 우선 결함과 변형에너지 감소가 일어나는 회복이 발생하고, 이어서 새로운 결정립이 생성되는 재결정이 일어나며, 마지막으로 결정립이 합쳐지며 커지는 결정성장 단계가 진행된다는 원리를 익혀야 한다.
Fe-C 평형상태도에서는 여러 변태점이 기호 A1, A2, A3, A4 등으로 표시되며, 이 중 α-철의 자기적 변태점인 큐리점은 A2로 표기된다는 사실을 기억해야 한다. 또한 순철의 동소체는 온도에 따라 α-Fe, γ-Fe, δ-Fe로 구분되며 온도가 올라감에 따라 알파에서 감마, 델타로 변하는 순서를 가진다는 점을 숙지해야 한다.
상변태의 구체적 형성 기구도 중요하다. 펄라이트 형성은 오스테나이트의 냉각 과정에서 핵 생성이 먼저 일어나고, 특히 시멘타이트(Fe3C) 핵이 먼저 형성된 다음 페라이트가 성장하며 층상 조직을 만드는 과정으로 설명된다는 점을 반드시 이해해야 한다.
자성의 분류에서는 강자성체와 반자성체를 구분해야 한다. 철·니켈·코발트는 자석에 끌어당겨지는 강자성체이고, 금·은·구리와 같은 물질은 외부 자기장에 대해 같은 극을 만들어 반발하는 반자성 특성을 보여 반자성체로 분류된다는 점을 알고 있어야 한다.
가공 공정의 온도 구분과 용어도 숙지해야 한다. 냉간 가공과 열간 가공은 재결정 온도를 기준으로 나뉘며, 재결정 온도 이상에서 가공하면 열간 가공으로 본다는 원리를 기억해야 한다. 열간가공을 마무리하는 온도는 피니싱 온도라고 부른다.
특정 합금의 조성과 용도도 연관 지어 기억해야 한다. 예를 들어 Al에 Cu, Ni, Mg 등이 첨가된 Y 합금은 고온에서의 강도가 좋아 내연기관용 부품에 쓰인다는 점을 숙지해야 한다.
예제
문제에서 고온 가열 시 미세조직 변화를 묻는다면 '회복→재결정→결정성장' 순서를 떠올려야 한다. 예를 들어 보기에 재결정이 회복보다 먼저 일어난다고 적혀 있다면 그 보기는 틀렸다고 판단한다.
펄라이트 생성 기구를 묻는 문항에서는 'Fe3C 핵 생성이 먼저 발생한다'는 사실을 바탕으로 선택지를 검토한다. 시멘타이트 핵 형성이 선행한다는 점을 사용해 정답을 골라야 한다.
자성 관련 문항에서는 자석에 끌어당겨지는지 밀어내는지를 기준으로 강자성체와 반자성체를 구별한다. 금을 예로 들며 반자성체가 자석과 같은 극을 만들어 반발한다는 설명을 근거로 선택지를 판단한다.
자주 묻는 물음
- 고온 가열 시 미세조직의 변화 순서는 무엇인가?
- 회복→재결정→결정성장 순으로 진행된다고 정리하면 된다.
- Fe-C 상태도에서 α-철의 자기변태점 표기는 무엇인가?
- α-철의 자기변태점은 A2로 표기한다.
- 펄라이트 형성에서 처음 발생하는 것은 무엇인가?
- 오스테나이트에서 시멘타이트(Fe3C)의 핵이 먼저 생성되는 것이 초기 단계이다.
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