상태도 분석 4) 공정반응의 심화 (1) - 기하요소 (단조성상, 부분고용체, 퇴행고상선) 및 냉각곡선 , 아공정 과공정 , 용해도

 

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상태도 분석 3) 공정반응이란 정확히 무엇인가? eutectic

지난 포스팅을 통해 공정반응이 무엇인지 알아보았습니다. 이번 포스팅에서는 공정반응에 대하여 더욱

깊숙히 알아 보도록 하겠습니다.

 

-냉각곡선

 

우선 지난 포스팅의 공정 그래프를 보면,

다음과 같은데, 이때 공정반응이 일어나는 조성 \(X_E\)에서 보면,

다음과 같은 보라색 선에서 일어나는 반응을 생각해보면,

액상에서 고상이 되는 응고과정에서 시간이 지나면서도 온도가 유지되는 '열포획'이 일어납니다.

이는 물을 끓일때 100도에서 수증기로 다 변할 때까지 온도가 100도가 유지되는 것과 같은 것입니다.

이와 같은 응고과정을 그린 그래프를 냉각곡선이라고 합니다.

위 상황을 냉각곡선으로 나타내면

다음과 같은데, 이는 공정점에서 응고열이 발생하여 냉각이 한동안 진행하지 못하는 상태를 나타냅니다.

이 상태에서는 공정합금과 액상이 공존하게 됩니다.

 

공정합금의 응고에서 재료조직의 발달은 Pb-Sn 공정합금의 층상 결정 성장에서 볼 수 있습니다.

이는 다음과 같은 모양이 되는데, 이는 단조성상에서의 층상구조라고 할 수 있습니다.

 

- 공정 상태도의 기하요소

 

1) 공정 상태도에서 응고하면 단조성상이 생기는 경우

다음과 같이 여태까지 살펴온 그래프가 나옵니다 응고를 마쳤을때 A와B의 고상만이 남아있는 형태이지요.

 

2) 공정 상평형에서 응고하면 부분 고용체가 생기는 경우

 

다음과 같이 부분고용체가 생기는 경우에는 단조성상과 다르게 양쪽에 나비모양처럼 들어와 있습니다.

이때 들어온 꼭짓점 부분에서 왼쪽의 부분에서는 꼭짓점부분에서 B의 최대 고용한계, 오른쪽부분의 꼭짓점 부분에서는

A의 최대 고용한계를 말하게 됩니다.

이때 고상 분열선을 지나는 상 변화는 액상이 없는 고상의 상태에서 그리고 온도가 낮은 상태에서 발생하여 상의 발생이나 성장이 어렵게 됩니다.

 

3) 퇴행고상선

퇴행 고상선의 경우 위의 부분고용체 그래프와 달리 고상선이 부푼 모양이 보입니다. 이때에는 부분고용체에서 

용질 성분이 용융점과 공정점 사이에서 용해도가 최대이기 때문에 최대 고용한계가 저렇게 늘어나 있는것 입니다.

용질의 용해에 따른 엔탈피가 큰 경우 이러한 고상선이 생기고, 이는 성분의 원자 크기가 비교적 크게 다르면 고용하는 동안 격자변형이 커서 변형에너지의 증가로 엔탈피가 증가한 것입니다.

 

-아공정과 과공정

 

다음과 같이 공정조성보다 적은 경우를 아공정, 넘은 경우를 과공정이라고 하는데, 

다음과 같이 아공정부분과 과공정부분의 냉각과정 (빨간 화살표부분)을 생각해봤을때, 왼쪽은

왼쪽 L+\(\alpha\)상역에 들어갔을때 먼저 \(\alpha\)결정이 생기고, 더 냉각했을때 액상이

\(\beta\)상이 됩니다. 그림으로 보면,

다음과 같이 진행되게 됩니다.

오른쪽 과공정 부분에서는 반대로 \(\beta\)상이 먼저 응고될 것입니다.

 

-용해도

 

다시 단조성상 공정계의 그래프로 넘어와서,

이때 액상선을 용액에서 결정이 용해한 양을 표현하는 용해도 곡선으로 본다면, 액상선은

용액에서 용해한 결정의 용해도 한계를 나타내게 됩니다. 즉, 온도가 내려갈수록 용액에서 결정의 최대 용해량이 감소하는 것입니다.