2성분계 상태도#6 (공석강, 펄라이트, 탄소강의 상변화)

1. 개요 : Fe-C 상태도에서 고온 부분은 실제로 거의 사용하지 않고, 자주 사용하는 부분은 위 그림과 같다. 즉 탄소량이 2.0%를 기준으로 탄소량이 2.0%이하인 합금을 강(Steel)이라 하고 이상이면 주철(Cast Iron)이라 한다. 

탄소강도 0.8%를 기준으로 이하는 아공석강, 0.8%는 공석강, 그 이상은 과공석강이라 한다. 

 

2. 탄소강의 상태변화 (공석강을 높은 온도에서 천천히 냉각시킬 때의 변화)

   공석강(0.8%C)을 723'c 이상의 높은 온도로 가열하면 오스테나이트(γ고용체)로 된다. 오스테나이트는 면심입방격자 구조(FCC)이므로 많은 양의 탄소를 고용할 수 있다. 그러므로 0.8%C가 오스테나이트 안에 충분히 고용되어 있다. 이런 상태의 오스테나이트를 천천히 냉각하면 723'c에서 구조가 면심입방격자 구조(γ)에서 체심입방격자 구조(α)로 바뀌어, 탄소가 있던 공간이 좁아져서 탄소가 더 이상 있을 수가 없게 된다. α고용체는 723'c에서 0.025%의 탄소밖에 고용할 수 없으므로 공석강(0.8%C)에 있던 대부분의 탄소(0.8-0.025=0.775)는 석출하여야 한다. 이 탄소들은 검은 탄소 덩어리로 석출하는 것이 아니라 시멘타이트(Fe3c) 형태로 석출한다. 

 

3. 공석강에서 α고용체와 시멘타이트가 석출할때 시멘타이트가 줄 무늬모양으로 석출하는 이유

   면심입방격자 구조의 γ고용체가 723'c에 도달하면, α고용체가 생기기 시작하고 γ고용체에 있던 탄소들이 이동한다. 이 탄소들이 이동하여 결정립계에 모여서 아래 그림 (c)와 같이 Fe3C(시멘타이트)를 형성하기 시작한다. 시멘타이트 주위에는 α고용체가 있고 반대로 α고용체 주위에는 시멘타이트가 있다. 이렇게 교대로 나란히 층을 이루면서 아래 그림 (e)와 같이 층상으로 발달한다. 이 층상 모양의 공석조직을 펄라이트라 한다. 

4. 펄라이트 조직의 성질

   펄라이트 조직은 매우 딱딱한 시멘타이트를 연한 α고용체가 둘러싸고 있는 모양이다. 또 시멘타이트가 매우 가늘고 긴 모양으로 되어 있어 표면적도 매우 넓다. 이와 같은 특징은 소성 변형되려면 전위가 이동하여야 하는데 α고용체 속에서 이동하던 전위가 시멘타이트를 만나면 매우 딱딱해 통과할 수 없다. 또한 α고용체 때문에 큰 힘을 가해도 쉽게 파괴되지도 않는다. 따라서 펄라이트 조직은 매우 질기고 강도를 조정해 주는 중요한 조직이다. 즉 조직 중에 펄라이트 조직의 양이 많을수록 그 강의 강도는 증가한다.