철의 조직 변화가 발생하는 온도를 설명해보세요.

이 문제는 철의 탄소계 평형 상태도로 설명할 수 있다.

평형 상태도란 어떤 성분비율의 철-탄소합금이 온도의 변화에 따라서 상태가 어떻게 변하는가 또는 온도 범위 내에서 어떤 상태로 되어 있는가를 나타내는 선도를 말한다.

[순철의 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

탄소량이 0.01%보다 적은 철을 순철이라 하며, 순철은 가열하거나 냉각할 때 그림에서 A2, A3, A4의 변태점이 나타나며, A2 변태점 이하의 철을 α 철, A2 ~ A3 변태점 사이의 철을 β 철, A3 ~ A4 변태점 사이의 철을 γ 철, A4 변태점 이상의 철을 δ 철이라 한다. A2는 자기변태를 일으키는 변태점이며, 원자배열에는 변화가 없어 β 철과 같다. α, β, δ철은 체심입방격자의 원자배열을 하고 있고, γ 철은 면심입방격자의 원자배열로 되어있다.

순철은 단체로서 존재하기 어렵고, 탄소와 함께 Fe-C로 존재한다. 강에서 탄소는 Fe₃C인 cementite로 존재한다. A2 변태점 이하의 철, 즉 α철에 탄소나 cementite 등이 고용된 것으로 이를 α고용체라 하고, 조직상 이것을 ferrite라 한다. A1 변태점은 탄소량과 관계없이 723oC에서 발생하며, C가 0.8%일 때의 A3와 일치한다. A3 ~ A4 변태점까지의 철, 즉 γ철에 cementite가 고용된 것을 γ고용체라 하며, 이때의 조직을 austenite라 하고, 전부가 pearlite인 0.8%C의 강을 공석강이라 한다. 0.8%C 이하에서는 pearlite와 ferrite의 혼합조직이며, 이를 아공석강이라 하고, 0.8%C 이상에서는 pearlite와 cementite의 혼합조직이 석출되며, 이를 과공석강이라 한다.

참고) 강의 표준조직(normal structure)

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

2. γ고용체 : 오스테나이트(A1점에서 안정된 조직으로 상자성체이고 인성이 크다. HB=155)

3. Fe₃C : 시멘타이트(경도가 높고 취성이 크며 백색으로 상온에서 강자성체. HB=820)

4. α + Fe₃C : 펄라이트(pearlite : 오스테나이트가 페라이트와 시멘타이트의 층상으로 된 조직. 강도는 크고 어느 정도 연성이 있다. HB=225)

5. γ + Fe₃C : 레데부라이트(상온에서 불안정하고 Fe₃C는 흑연과 지철(地鐵)로 분해한다.)

[탄소함량에 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)

ㄹ. 포정점 : 0.18%C, 1,492°C

ㅁ. 공석점 : 0.77%C, 723°C

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