2성분계 상태도#5 (Fe-C 상태도, 철-탄소 상태도, Fe-Fe3C 상태도)

1. 순철에 탄소를 첨가할 경우

  1) 순철은 912'c 까지는 BCC인 α철이 존재하고, 912~1,394'c까지는 FCC인 γ철이 존재하고, 1,394~1,534'c까지는 BCC인 δ철이 존재한다. 앞에서 살펴보았듯이, BCC는 탄소가 침입할 수 없는 정도의 빈공간이 많고, FCC는 탄소가 침입할 수 있는 정도의 공간이 드문 드문 있다. 따라서 α철에는 723'c에서 최대 0.025%정도 탄소를 고용할 수 있고, δ철도 1,493'c에서 최대 0.1%정도 고용할 수 있지만, FCC인 γ철은 1,150'c에서 최대 2.0%까지 탄소를 고용할 수 있다. 이때, α철은 페라이트라 하고, γ철은 오스테나이트라 한다. 

 

2. 철 탄소 상태도는 평형 상태도이며, Fe-Fe3C 상태도이다.

  1) 철-탄소 상태도뿐만 아니라, 모든 합금의 상태도는 극히 천천히 가열하거나 냉각하였을 때 일어나는 현상을 나타낸 상태도이다. 즉 거의 평형 상태를 유지하면서 가열하거나 냉각하는 것이다. 상태 변화할 때 이렇게 오랜 시간이 필요한 이유는 가장 안정한 상태로 원자들이 충분히 이동하여야 하기 때문이다. 

 

  2) 철-탄소 상태도에서 탄소량은 6.67%까지만 표시되어 있다. 탄소가 6.67%이상 함유된 철-탄소 합금은 너무 취약하여 실제로 사용할 수 없다. 또한 탄소량이 6.67%인 곳에서 Fe3C라고 하는 금속간 화합물이 존재한다. 따라서 이 상태도의 왼쪽은 Fe이고 오른쪽은 금속간 화합물인 Fe3C이므로 정확히 얘기하면 Fe-Fe3C 상태도이다. Fe3C는 철 합금의 성질을 변하게 하는 중요한 물질이며 시멘타이트라고 부른다.

 

3. 철-탄소 평형상태도의 해석 (변태점과 변태선)

   1) A선 : α고용체에 고용될 수 있는 탄소량을 나타내는 고용도 곡선이다. 즉 상온에서 탄소량이 0.005%인 점과 723'c에서 탄소량이 약 0.025%인 점을 연결하는 선이다. 

   2) A1 변태선 : A1변태란 공석반응을 말한다. (오스테나이트 → 페라이트 + 시멘타이트) 공석반응이 일어나는 온도인 723'c를 A1변태선이라 하고 공석 반응이 일어나는 공석점은 탄소량이 0.8%인 점이다.

   3) A2 변태 : 768'c에서 자기의 세기가 변한다. 768'c 보다 높은 온도일 때는 상자성체 이지만, 이 이하의 온도에서는 강자성체로 변한다. 이와 같이 자기의 세기가 변하는 변태를 자기 변태 또는 A2변태라 하고 768'c를 자기 변태점 또는 큐리점이라고 한다.

   4) A3변태, A3변태선 : A3 변태란 α고용체 ↔ γ고용체로 변하는 현상을 말하며, 순철의 경우 912'c에서 일어난다. 탄소량이 증가함에 따라 A3변태가 일어나는 온도가 점점 낮아지며 공석점인 0.8%C에서 723'c로 되면서 A1변태선에 연결된다.

   5) Acm선 : Acm선은 온도에 따라 γ고용체에 고용될 수 있는 최대의 탄소량을 나타내는 고용도 곡선이다. 이 고용도 곡선보다 많은 양의 탄소가 존재하면 과잉의 탄소는 시멘타이트(Fe3C)의 형태로 석출한다. 이 선은 시멘타이트가 석출하는 선이라는 의미로 Acm선이라고 한다.

   6) A4변태점과 A4변태선 : A4변태란 γ고용체 ↔ δ고용체로 변하는 현상을 말하며, 순철의 경우 1,394'c에서 일어난다. 탄소량이 증가함에 따라 이 온도가 점점 높아져서 포정점인 0.18%C, 1,487'c에 도달한다. 이 두 점을 연결한 선을 A4변태선이라 한다.