철강재료 - 순철/Fe-C 평형상태도

1-3 순철

 

(1) 순철의 용도

 

   탄소의 함유량이 0~0.025% 정도이므로 연하고 전연성이 풍부하고, 기계재료로는

   거의 쓰이지 않으나 항장력이 낮고 투자율이 높기 때문에 변압기 및 발전기용 발

   철판의 전기재료로 많이 사용된다.

 

(2) 순철의 변태

   1. 순절의 변태점에는 동소변태 A₂(768°C), A₃(910°C)이고, 자기 변태 A₄(1400°C)점

   이 있다.

   2. 순철에는 α철, β철, δ철의 3개 동소체가 있으며 910°C 이하에서는 철로 체

   심입방격자, 910~1400°C에서는 r철로 안정한 면심입방격자로 되며, 1400°C 이

   상에서는 δ철로 체심입방격자이다.

   3. 강은 강자성체이나 가열하면 자성이 점점 약해져서 768°C 부근에서는 급격히 상

   자성체가 되는데 이러한 변태를 자기변태(A₂)라 하고, 앞에서 말한 격자 변화를

   동소변태(A₃, A₄)라 한다. 또한 변태가 일어나는 온도를 변태점이라 하다.

   4. 동소변태는 원자배열의 변화가 생기므로 상당한 시간을 요한다.

   5. 자기변태는 원자배열의 변화가 없으므로 가열, 냉각시 온도변화가 없다.

 

(3) 순철의 성질

   1. 순철의 종류로는 암코철, 전해철, 카보닐철 등이 있으며 가보닐철이 가장 순수

   하다.

   2. 항자력이 낮고 투자율이 높아 전기재료(변압기, 발전기용 박판)로 사용

   3. 단접성, 용접성 양호하나 유동성 및 열처리성 불량

   4. 상온에서 전연성 풍부하며 항복점·인장강도 낮고, 연신율·단면수축률·충격값

   · 인성은 높다.

   5. 순철의 물리적 성질은 비중(7.87), 용융점(1,538°C), 열전도율이 0.18, 인장강도

   (18~25 N/mm²), 보리넬경도(60~70 N/mm²)

 

1-4 Fe-C 평형상태도

 

   720°C에서 A₁변태, 768°C에서 A₂변태, 910°C에서 A₃변태, 1400°C에서 A₄변태가 일어

   난다. A₂변태점 이하의 온도의 것을 α철, A₂변태점에서 A₃변태점까지의 온도의 것을

   β철이라 한다. 또 A₃변태점 온도에서 A₄변태점 온도까지의 것을 r철이라 하고 A₄로

   부터 용융점에 1536.5°C까지의 것을 δ철이라 한다.

   [그림 1-1]에 표시된 Fe-C계 상태도의 각 상태를 설명하면 다음과 같다.

 

 

 

   [그림 1-1] Fe-C의 평형상태도 

 

   A : 순철의 용융점 1538°C

   AB : δ고용체(δ-Fe에 탄소 C가 고용된 고용체)의 액상선 B점은 0.51%C

   AH : δ고용체의 고상선, H점은 0.077%C

   HJB : 포장선 1493°C, 용액(농도B)+δ고용체(농도H) ⇔ r고용체(농도J)되는 포정반응을 일으킨다.

   BC : r고용체(r-Fe에 탄소 C가 고용된 고용체)에 대한 액상선

   JE : r고용체의 고상선

   N : 순Fe의 A₄변대점(1401°C), δ-Fe ⇔ r-Fe

   HN : δ고용체가 r고용체로 변화하기 시작하는 온도, 강의 A₄변태가 시작되는 온도

   JN : δ고용체가 r고용체로 변화를 마치는 온도, 강의 A₄변태를 종료하는 온도

   CD : 시멘타이트(Fe3C)에 대한 액상선, 시멘타이트가 석출하기 시작하는 온도

   E : r고용체에 대한 C의 최대 용해도, C량 2.11%

   C : 공정점(eutectic point) l132°C, E는 고용체가 F로 되는 시멘타이트가 액체로부터 동시에 정

   출하는 점, C량 4.3%

   ECF : 공정선(ll45°C), F점은 6.67%C

   ES : r고용체로부터 시멘타이트가 석출하기 시작하는 온도로 이 곡선을 Acm선이라 한다.

   G : 순 Fe의 A₃변태점, 910°C, r-Fe ⇔ α-Fe

   GOS : r고용체로부터 α고용체(α-Fe에 탄소C가 고용된 고용체)의 석출이 시작되는 온도, 강의

   A3변태가 시작되는 온도

   GP : P점의 C량 0.02%, 이 농도 이하의 r고용체로부터 α고용체의 석출이 완료되는 온도, 강의

   A3 변태를 완료하는 점

   M : 순Fe의 A₂변태점. 자기 변태점, 큐리점

   Mo : 강의 A₂변태점, 769°C

   S : 공석점, 723°C, C량 0.85%, r고용체로부터 α고용체와 시멘타이트가 동시에 석출하는 온도

   s(r고용체) ⇔ P(α고용체) + K(Fe₂C)

   P : 고용체에 대한 탄소(C)의 최대 용해도를 가지는 점(0.025%)

   PSK : 공석선, 강의 A1변태점, 723°C: "K점의 c량 667%

   PQ;다 고용제에 대한 시멘타이트의 용해도 곡선, 상온에서 C 의 용해도는 0.006%이다

 

(1) 변태점

   1. A₀(210°C) : 시멘타이트의 자기변태점

   2. A₁(723°C) : 순철에는 없고 강에서만 일어나는 특유한 변태

   3. A₂(768°C) : 자기변태(Fe, Ni, Co)

   4. A₃(912°C) : 동소변태

   5. A₄(1,400°C) : 동소변태

 

(2) 강의 표준조직(normal structure)

   1. α고용체 : 페라이트(강자성체로 극히 연하고 전성과 연성이 크다. H_B=90)

   2. r고용체 : 오스테나이트(A₁점에서 안정된 조직으로 상자성체이고 인성이 크다.

   H_B=155)

   3. Fe₃C : 시멘타이트(경도가 높고 취성이 크며 백색으로 상온에서 강자성체. H_B=

   820)

   4. α +Fe₃C : 펄라이트(pearlite : 오스테나이트가 페라이트와 시멘타이트의 층상

   으로 된 조직. 강도는 크고 어느 정도 연성이 있다. H_B=225)

   5. r +Fe₃C : 레데부라이트(상온에서 불안정하고 Fe₃C는 흑연과 지철(地鐵로) 분

   해한다.)

 

(3) 탄소함랑에 따른 분류

   1. 강

     ㄱ. 공석강 : 0.77%C(펄라이트)

     ㄴ. 아공석강 : 0.025~0.77%C(페라이트+펄라이트)

     ㄷ. 과공석강 ：0.77+2.0%C(펄라이트+시멘타이트)

   2. 주철

     ㄱ. 공정주철 : 4.3%C(레테부라이트)

     ㄴ. 아공정주철 : 2.0~4.3%C(오스테나이트 + 레데부라이트)

     ㄷ. 과공정주철 : 4.3~6.67%C(레데부라이트 + 시멘타이트)

     .포정점 : 0.18%C, 1,492°C

     .공석점 : 0.77%C, 723°C

     .공정점 : 4.3%C, 1,147°C(상온 표준조직 : 펄라이트)

 

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