개념 한 쪽
철-탄소 평형 상태도는 온도와 탄소 함량에 따른 상과 조직의 생성 법칙을 보여준다. 공정점, 공석점, 각 조직의 탄소 함량과 기계적 성질, 열처리 목적에 따른 공정 명칭을 구분하는 것이 핵심이다.
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출제기준 단원 「금속의 특성과 결정 구조」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 공정점·조직 명칭 판별 | 1 | 공정점에서 동시에 정출되는 조직을 지칭하기 |
| 열처리 공정 목적 식별 | 1 | 잔류 오스테나이트 제거를 위한 공정 이름을 가리기 |
| 비철금속 잔류응력 균열 | 1 | 황동에서 잔류응력 기인 균열의 명칭을 고르기 |
Fe-C 평형 상태도에서 공정점은 액상이 일정 온도에서 두 개의 고상으로 동시에 정출되는 지점이며 탄소 함량은 약 4.3%이다. 이 공정점에서 용융액이 γ상(오스테나이트)과 시멘타이트를 동시에 정출하여 생성되는 조직을 레데뷰라이트라 한다.
평형 냉각에서 나타나는 표준 조직으로는 페라이트, 펄라이트, 시멘타이트가 있다. 시멘타이트는 Fe3C 화합물로서 탄소 함량이 약 6.67%로 다른 조직보다 탄소가 매우 많다. 오스테나이트는 고온에서 많은 탄소를 고용할 수 있으나 상온의 평형 조직과는 구분해야 한다.
열처리에 따른 비평형 조직으로는 마텐자이트가 있다. 마텐자이트는 오스테나이트 상태에서 급랭(담금질)할 때 형성되며, 격자 변형으로 인해 경도가 가장 높은 조직이다. 따라서 표준(평형) 조직과 급냉으로 생기는 비평형 조직을 구분하는 것이 중요하다.
열처리 목적별 공정도 주요 개념이므로 공정명과 기능을 연결해서 기억한다. 예를 들어 담금질 후 남아 있는 오스테나이트를 제거하기 위해 실온 이하로 추가 냉각하는 방법이 심냉처리이며, 이 처리는 담금질 후 잔류 오스테나이트를 마텐자이트 조직으로 바꾸어 경도와 치수 안정성을 높이는 목적을 가진다.
Fe-C 상태도상의 변태점은 자성 변화와 결정 구조 변화를 구분하여 이해한다. 자기 변태는 결정 구조 변화 없이 자성이 바뀌는 현상으로 순철의 A2(약 768℃)와 시멘타이트의 A0(약 210℃)가 해당한다.
황동 등 비철금속에서는 가공으로 인한 잔류응력이 부식 환경과 결합하면 관이나 봉에서 잔류응력 기인 균열이 발생할 수 있다. 이 현상은 자연균열(Season Cracking)로 불리며 잔류응력과 부식성 환경의 조합이 핵심 원인이다.
문제 유형 예시는 다음과 같다. 공정점의 탄소 함량을 묻는 문제에서는 '공정점=4.3%'를 선택하고, 용융액이 γ상과 시멘타이트를 동시에 정출하는 조직을 물으면 '레데뷰라이트'를 선택한다. 열처리 공정명에서 담금질 후 남아 있는 오스테나이트를 제거하기 위해 실온 이하로 추가 냉각하는 방법이 언급되면 '심냉처리'를 고른다. 황동의 균열 문제가 나오면 '잔류응력+부식' 조합으로 자연균열을 떠올린다.
담금질한 강을 실온까지 냉각한 다음, 다시 계속하여 실온 이하의 마텐자이트 변태 종료 온도까지 냉각하여 잔류 오스테나이트를 마텐자이트로 변화시키는 열처리 방법은?
정답 ② · 심냉처리법(Sub-zero treatment)은 강을 담금질하여 실온까지 냉각한 후, 계속해서 실온 이하의 마텐자이트 변태 종료 온도(Mf점)까지 냉각하는 공정입니다. 이 과정을 통해 담금질 후 남아있는 잔류 오스테나이트를 마텐자이트로 변화시켜 강의 경도와 치안정성을 향상시킵니다.
심냉처리는 잔류 오스테나이트를 마텐자이트로 전환해 경도와 치수 안정성을 높이는 열처리법이다.
Fe-C 평형 상태도에서 용융액으로부터 γ 고용체와 시멘타이트가 동시에 정출하는 공정물을 무엇이라 하는가?
정답 ④ · Fe-C 평형 상태도에서 공정점(약 4.3% C, 1147℃)에서 용융액이 냉각되며 오스테나이트(γ 고용체)와 시멘타이트(Fe3C)가 동시에 정출(결정화)하여 생성되는 공정 조직을 레데뷰라이트(Ledeburite)라고 합니다. 이는 주철 조직의 기본이 되는 중요한 상입니다.
Fe-C 상태도에서 용융액이 γ상과 시멘타이트를 동시에 정출하는 공정은 레데뷰라이트이다.
황동의 가공재, 특히 관, 봉 등에서 일종의 응력부식 균열로 잔류응력에 기인되어 나타나는 균열은?
정답 ① · 황동의 가공재, 특히 관이나 봉에서는 냉간 가공 등에 의해 잔류응력이 남아있게 되는데, 이 상태에서 부식성 환경(암모니아 등)에 노출되면 일종의 응력부식균열이 발생합니다. 이 현상은 오랜 시간에 걸쳐 자연적으로 발생한다 하여 자연균열(Season Cracking)이라고 불리며, 잔류응력이 원인이 되어 나타나는 대표적인 균열입니다.
황동 관의 잔류응력으로 인한 균열은 자연균열(Season Cracking)이라 한다.
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