상태도 분석 5) 공정반응의 심화 (2) - 공정조성 재료조직 - 침상/층상/골격상/단괴상, 등조성분석, 비평형응고 , 이산공정

- 공정조성 재료조직

두 액상선이 교차하는 공정점은 용융에서 최소점인 상태점 (조성,온도)를 나타낸다. 이 경우 재료에서 두 고상은 흔히 교대층으로 결합성장을 하여 층상조직을 만들게 됩니다.

 

공정 과정에서 성장한 \(\alpha 상과 \beta\) 상의 두 고상이 있다고 했을때 이 두상은 동시에 성장하므로

재료조직은 두 결정상의 상대적인 분율에 따라 크게 다르게 되며 두상의 결합 유형이나 결정구조에 차이가 발생합니다.

공정조성에서 고상의 비율이 거의 같은 합금계의 경우 층상조직이 발달합니다.

이 경우에는 \(\alpha 와 \beta \) 상의 띠가 번갈아 나타납니다.

 

또한 고상의 비율이 크게 다른 합금계에서는 분율에서 우세한 상은 기지를 구성하고

상대적으로 낮은 상은 기지 내에 발달합니다. 이때 기지 내에 발달한 상의 형태가 공정 조직에 영향을 주는데,

구형인 상이면 단괴상과 구상, 침상인경우 침상(acicular) 수지상인 경우 수지상(dendritic)의 형태를 띄게 됩니다.

 

- 등조성 분석

등조성 분석은 조성을 일정하게 유지하면서, 온도를 내려가거나 올라가며 생겨나는 상의 변화와 비율을 알아내는 작업입니다.

다음과 같이 공정반응 그래프가 있다고 할때, 빨간 선을 따라가며 분석을 하는 것입니다.

처음 액상선과 만날때, 조성은 A 80% B 20%입니다.

그리고 점점 온도를 내려가며 등온선을 그었을때 액상선과 만나는 조성이 40%인 부분을 보도록 하겠습니다.

이때 조성 A 60% B 40%입니다.

이제 분율을 따져보면, 고상의 분율과 액상의 분율을 각각 따져볼 수 있겠습니다.

고상을 먼저 따져보면, 현재 등조성선은 A고상+L영역에 있는데, 따라서 변하지 않은 B를 통해 계산을 하면

조성이 B 20% -> 40%가 되었습니다. 이때 B는 고상이 되지 않았으므로, 모두 액상이었던 원 조성과의 변화값이

고상의 양이 될 것입니다. 따라서 계산은 \(\frac{40-20}{40}\) 이 되고 그 값은 0.5가 됩니다.

액상의 경우 반대로 \(\frac{20}{40}\)이므로 또한 0.5입니다. 이것이 상의 백분율을 구하는 방법입니다.

 

-비평형 응고

 

온도가 변함에 따라 상은 점차적으로 확산되며 변화합니다. 그것을 나타낸것이 상태도인데, 사실 일반적으로 상태도 같은 반응이 나타나기 위해서는 매우 천천히 온도의 변화가 일어나야 됩니다. 예를들어, 온도를 급격하게 낮춘다면 상이 충분히 확산하지 못해 상태도의 이상적 값과는 다른 모습이 보여지게 됩니다. 특히 고상에서는 원자확산이 굉장히 느리기 때문에 그러한 모습을 보이게 됩니다. 이러한 일은 재료공정에서도 흔히 일어납니다.

우선 그림을 통해 보겠습니다.

다음은 부분고용이 일어난 공정반응계입니다.

이때 x조성을 따르는 응고를 생각해 보겠습니다.

조성 x인 용융물은 원래 L1 점에서 응고가 시작합니다. 평형응고의 경우 T2온도에서 레버룰을 통해 

등온선을 그어 등온선과 상과의 접점으로 고상과 액상의 조성을 파악할 수 있습니다.

하지만 비평형응고의 경우에는 T2에서 왼쪽의 빨간 영역의 끝부분까지 접점을 확장시킵니다.

또한 평형응고의 경우 T3 온도에서 응고가 끝이 나야하지만 비평형 응고의 경우 이 온도에서 고상의 평균조성은 재료의 원래 조성보다 A성분이 높아지고, 액상이 남게 됩니다. (쉽게말해 위의 그림에서 빨간색 선만큼 상역이 넓어지는 것입니다.)

따라서 응고는 온도가 더 내려가서 끝이나고 공정조직이 생깁니다.

 

이러한 비평형 응고가 일어났을때 비평형 고상선을 따라가게 되면 조성이 연속하여 변하는 핵편석이 생기게 됩니다.

그리고 마지막으로 생기는 고체에 대한 응고온도는 평형 고상선이 제시하는 온도보다는 낮게 됩니다.

재료를 냉각하지 않고 가열하게되면, 용융은 평형 고상선에서 얻는 온도보다 낮은 온도에서 시작하게 됩니다. (거꾸로 가열했을때 고상이 생기는 온도가 더 낮으니까) 따라서 재료공정에서는 이러한 핵편석을 조심해야합니다.  

왜냐하면 고온의 상황에서 예상치보다 더 낮은 온도에서 용융이 일어날 수 있기 때문입니다.

 

-이산공정 (divorced eutectic)

 

공정계를 구성하는 상의 비율이 한쪽에 크게 기우는 경우 두상은 따로 응고될 수 있습니다.

이 경우에는 공정 조성의 용융물을 급냉하면 공정조성에 치우친 성분의 상이 먼저 초정으로 정출되고 

그 뒤 공정이 일어나는데, 공정에서 두 상이 따로 분리하여 응고할 수 있습니다. 그리고 이러한 응고 과정이 비평형이라면 액상이

소량으로 남기도 한느데, 이 액상에서 두 상은 따로 분리하여 응고할 수 있습니다. 이 경우에는 층상조직과는 다른 형태의 조직이 보이게 됩니다. 그림으로 살펴보겠습니다.

순서대로 이루어지는데, 우선 L(액상)의 형태의 용융물에서

1. 먼저 \(\alpha\)상이 정출되고

2. 온도가 낮아짐에 따라 \(\alpha\)상과 \(\beta\)상이 함께 정출됩니다. 이때 \(\alpha\)상은 초정상인 \(\alpha\)상과 계면에서 우선적으로 성장하게 됩니다.

3. 따라서 결국 2차적으로 정출된 \(\alpha\)상과 처음 정출된\(\alpha\)상과의 구분이 없어지고 \(\beta\)상만이

후에 3번 그림과 같이 떨어져 \(\alpha\)상 속 끼여있는 모습이 됩니다.

따라서 2개의 성분이 개별적으로 분리되어 정출되는 것입니다.