개념 한 쪽
철-탄소 상태도와 일반 금속의 상태도를 통해 상변태와 주요 조직을 이해하면 재료의 기계적 성질을 해석할 수 있다. 공정점, 공석점 같은 특이점의 의미와 각 조직별 탄소 함량·경도·연성 특성을 구분하는 것이 핵심이다.
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출제기준 단원 「금속의 변태와 상태도 및 기계적 성질」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 담금질 후 잔류 오스테나이트 처리 | 1 | 담금질 후 잔류 오스테나이트 제거 목적의 열처리 명칭을 고르기 |
| Fe-C 상태도의 공정점 조직 판별 | 1 | 용융액으로부터 γ상과 시멘타이트가 동시에 정출할 때 생성되는 조직을 묻기 |
| 열처리 조직의 경도 비교 | 1 | 여러 조직 중 경도가 가장 높은 조직을 가려내기 |
상태도는 온도와 조성에 따른 금속의 상 분포를 나타내는 도표로, 특정 조성에서 어떤 상이 생성되는지를 알려준다. 상태도에서 공정점(Eutectic)은 액상이 일정한 온도에서 두 종류의 고상이 동시에 정출하는 지점을 뜻한다. Fe-C 평형상태도에서는 공정점 부근에서 용융액이 냉각될 때 오스테나이트(γ상)와 시멘타이트가 동시에 형성되어 레데뷰라이트 조직이 생성된다고 정리된다.
철강의 여러 조직은 형성 조건에 따라 기계적 성질이 달라진다. 페라이트는 탄소 함량이 매우 낮아 연하고 점성이 크며 연성을 제공한다. 펄라이트는 페라이트와 시멘타이트의 층상 혼합으로 중간 경도를 보인다. 시멘타이트는 Fe3C 화합물로 탄소 함량이 높아 경도가 크고 취성이 강하다. 마텐자이트는 오스테나이트를 급랭(담금질)하여 생성되는 비평형 조직으로 격자 변형으로 인해 가장 높은 경도를 가진다.
열처리 공정은 목적에 따라 서로 다른 조직을 얻기 위해 온도와 냉각 속도를 조절한다. 담금질 후 실온에 남는 잔류 오스테나이트를 더 낮은 온도까지 냉각하여 마텐자이트로 전환하는 처리를 심냉처리(Sub-zero treatment)라고 한다. 이 처리는 잔류 오스테나이트 제거로 경도와 치수 안정성을 향상시키는 목적을 가진다.
상태도상의 주요 수치도 학습 대상이다. 철-탄소 평형 상태도에서는 공정점 부근의 탄소 함량은 약 4.3%로 표기되며, 시멘타이트의 탄소 함량은 약 6.67%로 이해한다. 이러한 수치는 조직의 생성과 성질을 판단하는 기준으로 활용한다.
문제 유형 예시는 다음과 같다. 담금질 후 잔류 오스테나이트를 제거하기 위해 실온 이하로 추가 냉각하는 공정이 제시되면 심냉처리를 답으로 선택한다. Fe-C 상태도에서 용융액이 γ상과 시멘타이트를 동시에 정출하여 생성되는 조직을 묻는 경우 레데뷰라이트를 정답으로 고른다. 열처리로 얻은 조직 중 경도가 가장 높은 것을 묻는 문제는 급랭으로 형성되는 마텐자이트를 선택하는 방식으로 풀이한다.
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.
강을 열처리하여 얻은 조직으로써 경도가 가장 높은 것은?
정답 ③ · 강의 열처리 조직 중 경도가 가장 높은 것은 마텐자이트(Martensite)입니다. 마텐자이트는 오스테나이트 상태에서 급격히 냉각(담금질)할 때 탄소가 과포화된 상태로 침상(바늘 모양) 조직을 형성하며, 이 과정에서 격자 변형이 발생하여 매우 높은 경도와 강도를 가지게 됩니다.
강을 급냉하여 얻은 마텐자이트 조직은 격자 변형으로 인해 경도가 가장 높습니다.
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