2성분계 상태도#2 (고용체의 상태도, 액상선, 고상선)

3)의 두금속이 조금도 혼합되지 않은 경우에 이어서, 1) 아래 그림 a와 같이 두금속 전체가 100% 매우 잘 혼합되는 경우를 생각해보자.

그림 a와 같이 두 금속 원자들이 균일하게 잘 섞여있는 상태를 고용체라 하고, 치환형과 침입형 두 종류가 있다.

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고용도, 고용체

 

이와 같이 두 금속 전체가 고체 상태에서 모두 고용되는 대표적인 합금은 Ni-Cu 이다. Ni과 Cu을 용융 상태에서 합금한 후 천천히 냉각하면서 일어나는 현상을 Ni-Cu 합금의 열분석 곡선을 통해 알아보자.

아래 그래프에서 가장 왼쪽의 Ni 100%인 경우는 물의 경우와 같고, 20%인 경우 특정지점에서 초정인 고체(Ni-Cu 합금)가 정출하기 시작하며 이때 물-소금처럼 순수한 Ni이 아니라 Ni-Cu 합금이 정출된다. 이때도 응고열이 발생하여 곡선의 경사가 완만하게 된다. Ni 40%, 60%... 의 경우도 온도만 다를뿐 일어나는 현상은 똑같다. Ni-Cu합금이 정출되기 시작하는 점을 선으로 연결하고, 완전히 응고되어 모두 고체가 되는 점을 연결하면 아래 우측 그림과 같다. 

각 선을 액상선(액체 상태에서 초정이 정출되기 시작하는 선), 고상선(응고가 모두 완료되어 모두 고체로 변하는 선)이라 한다. 

 

※ 전율고용체가 응고하는 동안, 액체와 고체의 농도 변화

a점은 Ni 60% 와 Cu 40%가 혼합되어 있는 액체 상태이다. b점으로 오면 b1 농도의 Ni-Cu합금이 정출되기 시작한다. 여기서 b1 농도란 Ni의 양 : Cu의 양 = b1-② : b1-① 이다. b1에서 정출된 고용체는 Ni 60% Cu 40% 아니라 Ni의 함유량이 대단히 높은 고용체가 정출된다. 

c점으로 오면 액상선과 고상선 사이에 있으므로 고체와 액체가 함께 섞여 있는 구간이다. c1농도의 고체의 양 : c2농도의 액체의 양 = c-c2 : c-c1 이다. b점에서 정출되기 시작한 고체의 양은 c-c2만큼 증가하였고, 농도는 b1에서 c1으로 변했다. 액체의 양은 c-c1이고 농도는 c2이다. 

c1농도의 고체란 Ni의 양 : Cu의 양 = c1-④ : c1-③ 이며, b1보다는 Ni의 양이 감소하였고 Cu의 양이 증가하였지만 아직까지는 Ni 60%-Cu 40%보다는 Ni의 양은 많고 Cu의 양은 적다. 이와 같이 b점에서 냉각함에 따라 정출하는 고체의 농도는 b1에서 c1으로 변한다는 사실을 알 수 있다. 

냉각됨에 따라 Ni이 많은 (Cu가 적은) 고체가 계속 정출하므로, 나머지 액체 속에 있는 Ni의 양은 점점 적어진다. 그러므로 나머지 액체의 농도는 c2로 변한다. 

c점에서 다시 d점으로 거의 접근한 경우, 액체(용융액)은 거의 없고 대부분 고체로 응고되었을 때이다. 액체가 응고하는 동안 고체와 액체의 농도는 계속 변하였지만, 완전히 응고한 후 고체의 농도는 처음액체(용융액)의 농도와 같다.