탄소 0~6.70 wt%, 온도 400~1600 ℃ 범위의 Fe–Fe₃C계(준안정계) 상태도입니다. 그림을 클릭/탭하거나 탄소량과 온도를 수치로 입력하면 그 점의 상을 보여 주고, 2상 영역이면 연결선을 그어 양 끝에 있는 상의 조성과 지렛대 법칙에 의한 질량 분율을 계산합니다. 아울러 그 탄소량의 강·주철을 고온에서 천천히 냉각했을 때의 실온 조직의 어림값도 보여 줍니다. 기본값은 0.40 wt% C의 아공석강을 750 ℃로 유지한 점(α + γ 2상 영역)입니다.
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상태도와 결과
그 점의 상
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탄소량에 따른 분류
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그 점에 있는 상의 조성과 질량 분율
천천히 냉각했을 때의 실온 조직(어림값)
주요 점(공석점 727 ℃·0.76 wt% C, 공정점 1147 ℃·4.30 wt% C, 포정 1495 ℃ 등)은 교과서에서 흔히 쓰는 값에 맞추었고, 선은 그 점들을 지나는 직선이나 매끄러운 곡선으로 근사했습니다. 실제 선과는 수 ℃~수십 ℃ 차이가 날 수 있으며, 합금 원소를 포함하는 실용강에서는 선의 위치 자체가 달라집니다.
그래프로 보기
다른 입력은 현재 값 그대로 두고, 선택한 입력만 현재 값의 1/4배에서 4배 범위로 바꾸었을 때의 결과입니다. 빨간 점이 현재 값입니다.
Fe–Fe₃C계 상태도 읽는 법
세로축이 온도, 가로축이 탄소량(wt%)이며, 오른쪽 끝의 6.70 wt% C는 철과 탄소의 화합물인 세멘타이트(Fe₃C) 그 자체에 해당합니다. 그림의 어떤 점이 단상 영역에 있으면 그 상만이 평형 상태에서 안정합니다. 2상 영역에 있으면 그 온도에서 수평선(연결선)을 긋고, 선이 영역의 경계와 만나는 양 끝이 공존하는 두 상의 탄소량이 됩니다. 각 상의 양은 지렛대 법칙 Wα = (Cβ − C₀)/(Cβ − Cα)로 구합니다. 3상이 공존할 수 있는 것은 1495 ℃·1147 ℃·727 ℃의 세 수평선 위뿐입니다.
세 가지 불변 반응과 순철의 변태점
1495 ℃에서는 포정 반응 δ(0.09 wt% C) + L(0.53 wt% C) → γ(0.17 wt% C), 1147 ℃에서는 공정 반응 L(4.30 wt% C) → γ(2.14 wt% C) + Fe₃C가 일어나며, 이 공정 조직을 레데부라이트라고 합니다. 727 ℃에서는 공석 반응 γ(0.76 wt% C) → α(0.022 wt% C) + Fe₃C가 일어나 층상의 펄라이트가 생깁니다. 탄소를 포함하지 않는 순철은 912 ℃에서 α(BCC)와 γ(FCC)가, 1394 ℃에서 γ와 δ(BCC)가 서로 바뀌며, 1538 ℃에서 녹습니다. γ의 최대 탄소 고용 한도 2.14 wt%가 강과 주철을 나누는 기준입니다.
A1·A3·Acm선의 의미
A1은 공석 온도 727 ℃의 수평선으로, 이보다 아래에서는 오스테나이트가 평형 상태로 존재하지 않습니다. A3는 아공석강에서 오스테나이트로부터 페라이트가 나오기 시작하는 온도로, 순철의 912 ℃에서 공석점의 727 ℃까지 탄소가 늘어날수록 낮아집니다. Acm은 과공석강에서 오스테나이트로부터 세멘타이트가 나오기 시작하는 온도로, 오스테나이트의 탄소 고용 한도를 나타내며 727 ℃·0.76 wt%에서 1147 ℃·2.14 wt%까지 올라갑니다. 풀림이나 담금질의 가열 온도는 이 선들을 기준으로 정합니다. 실제 가열·냉각에서는 변태가 평형 온도에서 벗어나므로, 가열 시의 값을 Ac, 냉각 시의 값을 Ar로 구분하여 씁니다.
아공석강·공석강·과공석강의 조직
오스테나이트에서 천천히 냉각하면, 0.76 wt% C보다 탄소가 적은 아공석강에서는 A3선을 지난 뒤 727 ℃에 이를 때까지 초석 페라이트가 생기고, 나머지 오스테나이트가 727 ℃에서 펄라이트가 됩니다. 0.40 wt% C라면 지렛대 법칙으로 초석 페라이트가 (0.76 − 0.40)/(0.76 − 0.022) ≈ 48.8 %, 펄라이트가 약 51.2 %입니다. 0.76 wt% C의 공석강은 펄라이트만으로 이루어집니다. 과공석강에서는 Acm선에서부터 결정립계에 초석 세멘타이트가 나오며, 1.2 wt% C라면 초석 세멘타이트 약 7.4 %, 펄라이트 약 92.6 %입니다. 펄라이트 자체는 질량 기준으로 페라이트가 약 89 %, 세멘타이트가 약 11 %입니다.
주철의 범위와 레데부라이트
2.14 wt% C를 넘으면 응고의 마지막에 1147 ℃에서 공정 반응이 일어납니다. 4.30 wt% C의 공정 주철은 전체가 레데부라이트(γ와 Fe₃C의 혼합 조직)가 되고, 727 ℃에서 그 안의 γ가 펄라이트로 바뀌므로 실온에서는 변태 레데부라이트라고 하는 조직이 됩니다. 4.30 wt%보다 적은 아공정 주철에서는 초정 γ와 레데부라이트, 그보다 많은 과공정 주철에서는 초정 세멘타이트와 레데부라이트가 됩니다. 이처럼 탄소가 모두 세멘타이트로 굳은 주철은 파면이 하얗고 단단하며 깨지기 쉬운 백주철입니다.
준안정계와 안정계(흑연)의 차이
세멘타이트는 엄밀히 말하면 준안정상이며, 철과 탄소의 진정한 평형은 Fe와 흑연 사이에 있습니다. Fe–흑연 안정계에서는 공정점이 약 1153 ℃·약 4.2 wt% C, 공석점이 약 738~740 ℃·약 0.65~0.69 wt% C(자료에 따라 조금 다릅니다)로, 준안정계보다 약간 고온·저탄소 쪽으로 이동합니다. Si가 많거나 냉각이 느린 조건에서는 흑연이 생기기 쉬워, 조직에 흑연을 포함하는 회주철 등이 됩니다. 반대로 냉각이 빠른 경우나 Cr·Mo 등 탄화물을 만드는 원소가 많은 경우에는 세멘타이트가 생기기 쉬워집니다. 강에서는 보통 흑연이 잘 생기지 않으므로 Fe–Fe₃C계로 생각합니다.
빠르게 냉각하면 이 그림을 사용할 수 없다
상태도는 충분히 천천히 가열·냉각하여 평형에 도달했을 때의 상을 나타내며, 변태에 걸리는 시간의 정보는 포함하지 않습니다. 담금질처럼 빠르게 냉각하면 변태가 평형 온도보다 저온 쪽으로 벗어나고, 확산이 따라가지 못한 채 마르텐사이트나 베이나이트 같은 비평형 조직이 생깁니다. 이들은 상태도에 나타나지 않으므로, 어떤 조직이 될지 알려면 항온 유지에서의 변태를 나타내는 TTT 선도나 연속 냉각에서의 변태를 나타내는 CCT 선도가 필요합니다. 이 그림과 지렛대 법칙으로 구한 조직과 분율은 서랭(풀림)한 경우의 어림값으로 생각하십시오.
이 그림의 근사에 대하여
주요 점의 값은 교과서에서 흔히 쓰는 값에 맞추었고, 선은 그 점들 사이를 직선으로 연결했습니다. A3선만은 912 ℃에서 727 ℃까지 T = 912 − 185·(C/0.76)^0.7의 매끄러운 곡선으로 했습니다. 이 식은 양 끝점을 지나도록 고른 것으로, 중간 온도(예를 들어 0.40 wt% C에서 약 794 ℃)는 그림의 형태에 맞춘 근사입니다. 실제 A3와는 십수 ℃ 차이가 날 수 있으므로, 정확한 값이 필요할 때는 자료의 상태도로 확인하십시오. 727 ℃보다 아래의 α 고용 한도는 0.022 wt%에서 거의 0으로 내려가는 모습을 그린 모식도입니다. 4.30 wt%보다 오른쪽의 액상선은 자료에 따라 크게 다르므로 파선으로 표시한 어림값입니다. Fe₃C의 탄소량은 이 사이트의 다른 설명이나 문제에 맞추어 6.70 wt%로 했습니다. 자료에 따라 6.67~6.70 wt%이며(Fe₃C의 화학량론으로는 약 6.69 wt%), 공정 온도를 1148 ℃, 포정 온도를 1493 ℃로 하는 자료도 있습니다. 이러한 차이는 분율 계산에서는 소수점 이하의 차이에 그칩니다.
B약 4.3 wt%C, 1147℃에서 L → γ + Fe₃C가 일어나 층상 펄라이트가 생긴다
C약 0.022 wt%C, 912℃에서 γ → α가 일어나 베이나이트가 생긴다
정답과 해설 보기
정답: A. 약 0.76 wt%C, 727℃에서 γ → α + Fe₃C가 일어나 펄라이트가 생긴다
Fe-Fe₃C계의 공석점은 약 0.76 wt%C, 727℃이며, 오스테나이트(γ)가 페라이트(α)와 세멘타이트(Fe₃C)의 층상 조직인 펄라이트로 바뀝니다. 약 4.3 wt%C, 1147℃의 반응은 액상이 관여하는 공정 반응으로, 생기는 조직은 레데부라이트이며 펄라이트가 아닙니다. 0.022 wt%C는 727℃에서 α의 최대 고용 한도이고, 912℃는 순철의 γ → α 변태 온도입니다. 베이나이트는 평형 상태도에는 나타나지 않으며, 과냉각된 오스테나이트로부터 중간 온도 영역에서 생기는 비평형 조직입니다. 공석 조성보다 탄소가 적은 강을 아공석강, 많은 강을 과공석강이라고 합니다.
초석 페라이트는 727℃ 바로 위의 α + γ 영역에서 이미 생겨 있는 페라이트이며, 나머지 γ는 모두 펄라이트가 됩니다. 지렛대 법칙에 따라 W_초석α = (0.76 − 0.40)/(0.76 − 0.022) = 0.36/0.738 ≈ 0.49입니다. 약 0.51은 나머지 펄라이트의 분율로, 반대쪽 거리를 취한 오류입니다. 약 0.94는 α + Fe₃C의 2상으로 본 페라이트 전체의 분율 (6.70 − 0.40)/(6.70 − 0.022)로, 펄라이트 속의 페라이트까지 포함하고 있습니다. 초석 페라이트와 펄라이트의 면적 비는 현미경 조직으로부터 아공석강의 탄소량을 어림하는 단서가 됩니다.
공석 조성인 0.76 wt%C보다 탄소가 많은 과공석강에서는, 냉각 중에 Acm선을 지나면 먼저 오스테나이트의 결정립계에 초석 세멘타이트가 그물 모양으로 석출합니다. 727℃에 이르면 나머지 오스테나이트(약 0.76 wt%C)가 공석 반응으로 펄라이트가 되므로, 실온의 조직은 초석 세멘타이트와 펄라이트가 됩니다. 초석 페라이트와 펄라이트는 아공석강의 조직이며, 펄라이트만 되는 것은 공석강입니다. 결정립계의 그물 모양 세멘타이트는 취성의 원인이 되므로, 공구강 등에서는 구상화 풀림으로 세멘타이트를 입자 모양으로 만듭니다.
자주 묻는 질문
실온 조직의 분율을 727 ℃ 바로 아래의 값으로 계산해도 되는 이유는 무엇입니까?
727 ℃보다 아래에서는 평형 상태에서도 α상의 탄소 고용 한도가 조금 낮아질 뿐이어서, 초석 페라이트나 펄라이트의 양은 거의 변하지 않기 때문입니다. 교과서의 계산도 보통 727 ℃ 바로 아래의 조성을 사용합니다.
초석 페라이트의 분율과 페라이트상 전체의 분율은 어떻게 다릅니까?
초석 페라이트는 조직(현미경으로 구별할 수 있는 부분)의 분율로, 0.40 wt% C에서는 약 48.8 %입니다. 페라이트상 전체는 펄라이트 안의 페라이트까지 포함한 상의 분율로, 양 끝을 0.022 wt%와 6.70 wt% C로 하여 약 94 %가 됩니다. 무엇의 분율을 구하는지에 따라 연결선의 끝을 바꿉니다.
담금질한 강의 조직도 이 그림으로 알 수 있습니까?
알 수 없습니다. 마르텐사이트는 확산을 수반하지 않는 변태로 생기는 비평형 조직으로, 상태도에는 나타나지 않습니다. 담금질 후의 조직은 TTT 선도나 CCT 선도와 냉각 속도로부터 판단합니다. 다만 담금질 전에 어느 온도까지 가열하면 오스테나이트로 만들 수 있는지는 이 그림의 A3·Acm선에서 읽을 수 있습니다.
강과 주철의 경계는 몇 wt% C입니까?
Fe–Fe₃C계에서는 오스테나이트의 최대 탄소 고용 한도인 2.14 wt%가 기준입니다. 이보다 적으면 고체 상태에서 전체를 오스테나이트로 만들 수 있고, 많으면 응고의 마지막에 공정 반응이 일어납니다. 자료에 따라 2.0~2.11 wt%로 하기도 합니다.