개념 한 쪽
평형상태도는 온도와 조성에 따른 금속의 상(phase) 분포를 보여주는 도표로, 용접부 소재의 상변태와 조직을 이해하는 데 필수적이다. Fe-C 평형상태도는 철강의 주요 상변태점과 조직 구성을 제시하므로 용접열영향부의 거동을 예측하는 기초 지식이 된다.
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출제기준 단원 「평형상태도」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 용해도 유형 판별 | 1 | 액체·고체 상태에서의 용해도 특성으로 상태도 유형을 가름 |
| 결정구조 식별 | 1 | Fe-C 상태도에서 특정 상의 결정격자 유형을 고름 |
| 핵심 상변태점 수치 | 1 | 순철의 용융온도나 공정점 정의를 확인함 |
평형상태도는 두 성분 또는 다성분계에서 온도와 조성에 따라 어떤 상이 존재하는지를 표시한 그래프이다. 2성분계에서는 액체와 고체 상태에서 두 성분의 용해도 관계에 따라 전율고용형, 전율포정형(전율포정형 표기 일부 자료), 공정형, 편정형 등으로 분류한다. 전율고용형은 액체와 고체 모두에서 두 성분이 완전히 융합하여 단일 상을 이루는 유형이다. 전율포정형은 액체에서 완전 용해되지만 고체에서는 용해도가 제한되어 특정 조성에서 상분리가 일어나는 유형이다. 편정형은 액체·고체 어느 상태에서도 부분적으로만 용해되는 형태이다.
Fe-C 평형상태도에서는 철의 동소체 변태와 주요 변태점들이 표시된다. 알파(α)·감마(γ)·델타(δ)철의 결정 구조는 온도 구간에 따라 달라지며, γ-Fe는 면심입방격자(FCC)를 갖고 알파·델타는 체심입방격자(BCC)를 가진다. 또한 평형상태도에는 포정, 공정, 공석 반응 같은 대표적인 변태가 표시되어, 각 반응이 액체와 고체의 어떤 상태 전이와 연관되는지 구분할 수 있다.
Fe-C 상태도상에서 순철의 용융온도는 약 1530℃로 제시되며, 이 값은 철강의 상변태 이해에 기준점으로 사용된다. 공정점은 용융액으로부터 두 고체상(예: γ 고용체와 시멘타이트)이 동시에 정출하는 점으로 정의된다. 공석점은 고체에서 고체로 변하는 변태점이며, 이들 용어와 정의를 정확히 구분하는 것이 상태도 해석의 핵심이다.
문제 유형으로는 2성분계 상태도에서 용해도에 따른 유형을 판별하는 문제가 나온다. 예를 들어 "액체·고체 어느 상태에서도 일부만 용해된다"는 서술이 있으면 편정형을 선택해야 한다. Fe-C 관련 문제에서는 γ-Fe의 결정구조를 묻거나 순철의 용융온도 1530℃를 묻는 문제가 출제되며, 동소 변태와 공정·공석·포정의 정의를 혼동하지 않도록 주의해야 한다.
2성분계의 평형 상태도에서 액체, 고체의 어느 상태에서도 일부분 밖에 녹지 않는 형은?
정답 ③ · 문항은 2성분계 평형상태도에서 액상과 고상 모두에서 일부만 용해되는 형태가 어떤 것인지 묻고 있다. 액상과 고상에서 상호 완전 용해되지 않고 부분적으로만 용해되는 상태도는 편정형(부분 용해형)에 해당한다.
액체와 고체 모두에서 서로 완전히 녹지 않고 일부만 용해되는 상태도는 편정형(편융형)으로, 고용체 형성 여부가 핵심 구분점이다.
Fe-C 평형상태도에서 ɤ-철의 결정구조는?
정답 ① · 문제는 Fe-C 평형상태도에서 감마(ɤ)철의 결정구조를 묻고 있다. 감마철(오스테나이트)은 고온구간에서 철의 동소체로 존재하며 면심입방격자(FCC) 구조를 가진다.
Fe-C 평형상태도에서 ɤ-철(오스테나이트)은 912~1394℃에서 안정한 면심입방격자 구조를 가진다.
Fe-C 평형상태도에서 순철의 용융온도는?
정답 ① · 문제는 Fe-C 평형상태도에서 순철의 용융온도를 묻고 있다. 순철의 용융점은 약 1530℃로 알려져 있으며 이는 철-탄소계에서의 액상선 시작 온도와 일치한다.
Fe-C 평형상태도에서 순철(α-Fe)의 용융점은 약 1530℃로, 철강 재료의 기본 상변태 온도를 이해하는 데 필수적이다.
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