( 상평형도 ) Microstructure Mechanical properties melting( 용융 ), casting( 주형 ), crystallization( 결정화 ) 등에정보제공 Solution solid, liquid, or gas solutions (single phase) Mixture more than one phase Solubility Limit ( 용해한도 or 포화용해도 ) ~ maximum concentration of solute atoms dissolving in the solvent ( 용매에용해되는용질원자의최대농도 )
용해도 T Fig. 10.1 설탕 - 물시럽에서의설탕 (C 12 H 22 O 11 ) 의용해도.
Phases ( 상 ) Phase 물리적, 화학적특성이균일한 (homogeneous) 부분물 + 설탕용액 1 상 ( 고체설탕을액체에녹인균질용액 ) 물 + 얼음 2 상 BCC + FCC 2 상 Boundary 상을분리하는경계 Single phase system homogeneous system ( 균질계 ) Two or more phase system mixture ( 혼합물 ) or heterogeneous system ( 불균질계 )
Microstructure ( 미세구조 ) 물리적특성, 기계적거동은미세구조에따라다름 미세구조는상의수 (no. of phases), 상의비율 (proportions), 상의분포 or 배열 (distribution, arrangement) 등에의해 특징이나타남 Alloy의미세구조에영향을미치는 3 요소 : 합금원소의종류 (element) 합금원소의농도 (concentration) 합금의열처리 (heat treatment)
Fig. ( 참고 ) 0.04% C를함유한탄소강의미세조직 : 어두운부분은 ferrite이고밝은부분은 pearlite이며 pearlite는 cementite ( 밝은층 ) 와 ferrite ( 어두운층 ) 로이루어짐. 표면에칭하여관찰 (ferrite 부분을녹임 )
Phase Equilibria ( 상평형 ) : 하나이상의상이존재하는계의평형 평형 (equilibrium): Free energy ( 자유에너지 ) 가최소인 stable state 내부에너지와엔트로피의함수 ( G = H T S) 무한시간에서의상태 cf.) Nonequilibrium ( 비평형 ) or Metastable ( 준안정 ) state 열역학적으로평형상태아님변화속도가매우느려미세구조유지가능 (some steels & Al alloys)
One-component (or Unary) Phase Diagrams ( 일성분상평형도 ) : 조성은일정하고온도 (T) 와압력 (P) 만이변수인상평형도 ex.) H 2 O Triple point ( 삼중점 ) Fig. 10.2 H 2 O 의 P-T 상평형도.
Phase Transformation ( 상변환 or 상변태 ) Vaporization ( 기화 ) Condensation ( 응축 ) Freezing ( 응고 ) Melting ( 용융 ) Sublimation ( 승화 ) Deposition ( 증착 ) ( 출처 ) http://en.wikipedia.org/wiki/phase_transition
Binary Phase Diagrams ( 이성분상평형도 ) 두가지성분으로구성된상평형도 ( 일반적으로 1 atm 하에서온도와조성이변수인 2 성분상평형도 ) Binary Isomorphous Systems ( 이성분동형계 or 이성분전율고용체계 ) : 두가지성분이액상과고상에서모든조성에서 완전한용해도를보이는계 ex.) Cu-Ni alloy Complete solubility occurs because both Cu and Ni have the same crystal structure (FCC), near the same radii, electronegativities and valences.
Liquidus line ( 액상선 ) Solidus line ( 고상선 ) Tie line ( 연결선 or 대응선 or 공액선 ) 고용체 (solid solution) 의경우 α, β 등그리스체소문자로표시 Fig. 10.3 (a) Cu-Ni alloy 에대한상평형 도, (b) B 점에서의조성과상의양 을결정하는방법을설명.
Interpretation of Phase Diagrams ( 상평형도의이해 ) 이성분상평형도에서얻을수있는정보 : 1) Phases that are present ( 상의종류 ) 2) Composition of these phases ( 상의조성 ) 3) % or fractions of the phases ( 상의분율 ) Phases present Point A ~ 1100 o C, 60 wt% Ni 40 wt% Cu alloy α phase Point B ~ 1250 o C, 35 wt% Ni 65 wt% Cu alloy α phase & liquid phase 공존 Phase compositions Point B ~ α 상과 liquid 상공존 α 상 & L 상의조성 C L (31.5 wt% Ni 68.5 wt% Cu), C α (42.5 wt% Ni 57.5 wt% Cu)
Phase amounts Point A ~ 단일상이므로 100% α or wt fraction of α = 1 Point B ~ Lever rule ( 지렛대원리 ) 이용액상의 weight fraction: W L = C C α α C C 42.5 35 42.5 31.5 0 = = L 0.68 α 상의 weight fraction: W α = C C C C 35 31.5 42.5 31.5 0 L = = α L 0.32 Ex. 10.1) Lever rule 의유도
Development of Microstructure in Isomorphous Alloys ( 동형합금의미세구조변화 ) * Equilibrium cooling ( 평형냉각 ) in Cu-Ni system (Fig. 10.3(a) 의확대도 ) 35 wt% Ni 65 wt% Cu alloy를 1300 o C에서부터 cooling. ( 점 a에서점 e로감에따른미세구조변화관찰 ) Fig. 10.4 Cu-Ni alloy의평형냉각에따른미세구조.
Point a : 35 wt% Ni 65 wt% Cu 조성의 liquid alloy Point b : Liquidus line에도달, α 상및 L 상으로상분리시작 Tie line ( 연결선 ) 에만나는 solidus line 위의조성고상 α (46 wt% Ni) 가형성되기시작 Point c : L 상 (32 wt% Ni) 과 α 상 (43 wt% Ni) 의 2 상 Point d : 잔여 L 상 (24 wt% Ni) 과 α 상 (35 wt% Ni) 로응고종료직전 Point e : 35 wt% Ni 65 wt% Cu 조성의 α 상 solid solution Point e 이후의냉각 : 조성변화없음 ( 즉, Point e 의조성과동일 )
* Nonequilibrium cooling ( 비평형냉각 ) in Cu-Ni system 35 wt% Ni 65 wt% Cu alloy ( 점 a 점 f 로감에따른미세구조 ) 고상은확산이느려비평형상태로상이결정결정립내원소농도가불균일함 Cored structure ( 유핵구조 ) 기계적성질을떨어뜨림 ( 붉은점선은고상의평균농도 ) Fig. 10.5 비평형냉각에따른미세구조.
평형, 비평형냉각에따른미세구조비교
Mechanical Properties of Isomorphous Alloys ( 기계적성질 ) Solid solution 의경우 strength & hardness ductility Fig. 10.6 고용체를이루는 Cu-Ni alloy 의성질 : (a) 인장강도, (b) 연성.
Binary Eutectic Systems ( 이성분공융계 ) α phase: solid solution rich in Cu (FCC) β phase: solid solution rich in Ag (FCC) α 상과 (α+l) 상의경계 ~ solidus line ( 고상선 ) α 상과 (α+β) 상의경계 ~ solvus line ( 고용한선 ) β 상쪽도마찬가지 Fig. 10.7 Cu-Ag alloy 의 binary phase diagram.
각상의조성과상대적인양은 lever rule 로결정 Point E : invariant point ( 불변점 ), or eutectic point ( 공융점 ) 가장낮은융점공융조성 : C E = 71.9 wt% Ag 공융온도 : T E = 779 o C Line BEG: eutectic isotherm ( 공융등온선 ) 71.9 wt% Ag alloy 를 1000 o C 에서 cooling 하면 779 o C 까지는 L 상으로존재 E 점에도달 고체 C αe 와 C βe 조성의상으로분리각상의양은 lever rule 로계산
Ex. 10.2) 40 wt% Sn 60 wt% Pb alloy at 150 o C (a) 존재하는상은? (b) 상의조성은? 18.3 wt% 97.8 wt% 61.9 wt% T E =183 o C Fig. 10.9 Pb-Sn 계 의상평형도.
공융조성의 Sn-Pb 합금은저융점납땜재료로사용됨 공융점 (eutetic point) 조성 : 61.9 wt% Sn 38.1 wt% Pb at 183 o C (Ans.) (a) Point B는 α 상과 β 상이공존하는고상 (b) Tie line ( 연결선 ) 을그어 solvus 선과만나는조성 α 상의조성 : 11 wt% Sn 89 wt% Pb β 상의조성 : 98 wt% Sn 2 wt% Pb
ρ α = C Sn ( α ) ρ Sn Ex. 10.3) ( 앞 Ex. 10.2 의문제의연속 ) 각상의상대적인양을다음의항으로계산 (Ans.) 100 C + ρ Pb( α ) Pb (a) mass fraction (b) volume fraction (a) Lever rule 을적용하여계산하면, (b) W V α α Cβ C1 98 40 = = = 0.67 Wβ C C 98 11 β W = W ρ α α α α / ρα W + ρ β β (Eq. 5.13) 으로부터 ρ ρ ρ, 3 =.59 g/cm, β Pb Sn α ρ β = 11.23g/cm = 7.24 g/cm 3 3 를계산하면 ρ α 10 ρ = 7.29 g/cm V α =... = 0.58, V = 0.42 β 3 = 0.33
Development of Microstructure in Eutectic Alloys ( 공융합금계에서의미세구조의발달 ) Fig. 10.11 Pb-Sn 계의 C 1 조성에서의액상에서냉각 (w-w 선 ) 에따른미세구조변화.
Fig. 10.12 Pb-Sn 계의 C 2 조성에 서의액상에서냉각 (x-x 선 ) 에따른미세구조변화.
Fig. 10.13 Pb-Sn 계의 C 3 조성 ( 공융조성 ) 에서의미세구조변화. Eutectic reaction: L(61.9 wt% Sn) α(18.3 wt% Sn) + β(97.8 wt% Sn)
Fig. 10.14 Pb-Sn 계의공융조성에서의미세구조현미경사진 : 밝은층 (α 상고용체 ) 과어두운층 (β 상고용체 ) 이교대로반복되는구조.
Equilibrium Diagrams Having Intermediate Phases ( 중간상을갖는평형도 ) 총 6개의고용체 2개의최종고용체 : α, η 4개의중간고용체 : β, γ, δ, ε 황동 : 70% Cu 30% Zn인 α 상 Fig. 10.19 Cu-Zn 계의상평형도.
Eutectoid & Peritectic Reactions ( 공석반응및포정반응 ) Eutectoid reaction (at Point E ): Q δ γ + ε 하나의고상이한온도에서두개의다른고상으로변환 Peritectic reaction (at Point P ) : δ + L ε 하나의고상이한온도에서액상과다른고상으로변환 Fig. 10.21 Cu-Zn 계상평형도의부분확대도 : E 점은 eutectoid point 을 P, Q 점은 peritectic point 를나타냄.
Iron-Iron Carbide (Fe-Fe 3 C) Phase Diagram Peritectic point Eutectic point Eutectoid point Fig. 10.28 Fe-Fe 3 C 계의상평형도.
Fig. 10.29 (a) α ferrite, (b) austenite 의현미경사진. BCC 구조 0.022 wt% C 까지용해 FCC 구조, 비자성체 2.14 wt% C 까지용해
Fig. 10.30 Eutectoid 조성 (0.76 wt% C) 에서의미세구조변화. Fig. 10.31 Eutectoid steel 의현미경 사진 (Pearlite 미세구조 : ferrite 와 cementite 층으로구성 ).
Hypoeutectoid Alloys ( 아공석합금 ): 공석조성보다 C 농도가작은합금 Fig. 10.34 아공석조성강 (steel) 의 현미경사진 : Proeutectoid ferrite ( 초석페라이트 ) 와 pearlite 로구성. Fig. 10.33 아공석조성에서의냉각에따른미세조직변화.
Hypereutectoid Alloys ( 과공석합금 ): 공석조성보다 C 농도가큰합금 (0.76 ~ 6.7 wt% C) Fig. 10.37 과공석조성강의현미경사진 : Proeutectoid cementite ( 초석시멘타이트 ) 와 pearlite로구성. Fig. 10.36 과공석조성에서의냉각에따른미세조직변화.
Influence of Other Alloying Elements ~ To improve corrosion resistance or to facilitate heat treatment Fig. 10.38 강에첨가하는합금원소 의농도에따른공석온도변화. Fig. 10.39 강에첨가하는합금원소 의농도에따른공석조성변화.
(Probs.) 10.1, 10.3, 10.5, 10.12, 10.19, 10.21, 10.22, 10.28, 10.32, 10.51 & 10.59.