보고서 설명

탄소강(炭素鋼 ; Carbon Steel)은 대량생산이 가능하고, 가격이 비교적 저렴하며 기계적 성질이 우수하므로 현재 사용되고 있는 철강재료의 대부분을 차지하고 있다. 또한 상온 및 고온에서 가공성이 좋고, 탄소함유량에 따라서 성질변화가 현저하며, 특히 여러 가지 열처리방법에 의해서 기계적 성질을 다양하게 변화시킬 수 있는 장점이 있기 때문에 그 용도가 매우 광범위하다.

본문일부 및 목차

6.67%C까지의 탄소를 가지는 Fe-C 합금을 매우 서냉시킬 때 온도에 따라서 존재하는 상 영역을 그림 2.1의 상태도에 나타냈다. 그림 2.1에는 Fe-Fe3C계(Cementite, 시멘타이트 : 실선으로 표시)와 Fe-C계(Graphite, 흑연 : 점선으로 표시) 등 두 종류의 상태도가 그려져 있다. 시멘타이트로 부르는 Fe3C는 금속간화합물(金屬間化合物 ; Intermetallic Compound)로서 평형상이 아닌 준평형상이기 때문에 이 상태도는 엄밀하게 말하면 평형상태도가 아니며, 어떤 조건하에서 시멘타이트는 더욱 안정한 상인 철과 흑연으로 분해될 수 있다. 이러한 이유로 인해서 그림 2.1의 Fe- Fe3C계 상태도는 준안정 상태도이다. 그러나 Fe3C는 한번 형성되기만 하며 실질적으로 매우 안정하게 존재함으로 평형상으로 간주된다. 표 2.1은 Fe-C계 상태도 상의 조직, 명칭 및 결정구조를 정리한 것이다.

1.1 Fe-Fe3C 상태도에 나타나는 고상의 종류
Fe-Fe3C 상태도에 나타나는 고상의 종류에는 4가지가 있다. 즉, α 페라이트, 오스테나이트, 시멘타이트 및 δ 페라이트 등이다.

(1) α 페라이트(α-Ferrite)
α철에 탄소가 함유되어 있는 고용체를 α 페라이트 또는 단순히 페라이트라고 부르며, BCC 결정구조를 가지고 있다. 상태도에서 알 수 있듯이 페라이트의 최대 탄소고용도는 723℃에서 0.02%이므로 페라이트에 고용할 수 있는 탄소량은 매우 적다. 또한 α 페라이트의 탄소고용도는 온도가 내려감에 따라서 감소하여 0℃에서 약 0.008%정도이다. 탄소원자는 철 원자에 비해서 비교적 원자크기가 작으므로 철의 결정격자내의 침입형 자리(Interstitial Site)에 위치한다. 침입형 자리는 4면체 틈자리(Tetrahedral Site)와 8면체 틈자리(Octahedral Site)의 두 종류가 있는데, BCC인 α 페라이트에서는 4면체 틈자리인 의 크기가 크고, 그 침입형 자리에 들어갈 수 있는 구의 최대반경은 0.35Å이다. 따라서 0.77Å의 반경크기를 갖는 탄소원자가 이 침입형 자리에 들어가게 되면 탄소원자의 크기가 침입형 자리보다 상대적으로 매우 크기 때문에 격자변형을 일으키게 된다. 이것이 α 페라이트내의 탄소고용도를 적게 하는 중요한 이유이다. 그림 2.2(a)는 BCC의 4면체 틈자리의 위치를 나타낸 것이다.

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