Fe-C Diagram(철-탄소 상태도)

 

재료과에서는 고체를 위주로 다룬다. 이 고체란것은 정의에 의하면 다음과 같다.

고체(固體)는 물질의 상으로 일정한 결정을 가지고 있어 힘이나 압력의 변화에도 모양이나 부피가 변하지 않는 상태를 말한다 -wikipedia 

 즉 용기의 형태에 따라 그 형태가 유동적으로 변하는 액체와는 달리 유동성이 없는 상태를 의미한다. 따라서 재료과에서는 거의 모든 형태의 고체 재료들이 관심분야가 된다. 금속, 합금, 전자재료, 반도체, 세라믹 심지어 고분자 및 FRP CFRP와 같은 복합재료 까지.

 그 중에서도 재료과 졸업한사람이 모른다 하면 이사람이 정말 재료를 전공한것이 맞는지 의심해보아야 하는것이 한 세 가지가 있는데, 그 중 하나가 이 Fe-C Diagram이다. 나머지 둘은 Nernst equation 과 Free energy 개념 정도가 되겠다. 이 Diagram 한국말로 상태도는 어떤 두 합금 또는 세 합금의 조성에 따른 상태의 변화를 나타낸 그래프다. 그럼 한번 출발해보자.

 

1. 배경 지식

1-1. 금속 결정 구조

 고체는 수만은 원소들이 규칙적으로 배열된 결정 구조로 이루어져있다. 간단하게 그 구조에 대해서 집고 넘어가는것이 좋겠다. 제일 먼저 우리가 생각해볼 수 있는 것은 다음 세 가지 경우다.

Crystal System

 입방체의 각 꼭지점에 원소가 존재하는 SC, 입방체 가운데 원소가 존재하는(BCC), 입방체의 면에 원소가 존재하는(FCC) 세 가지 경우다. 이 외에도 BCT, HCP, 페로브스카이트, 스피넬 등 다양한 구조가 존재하지만 이런 것들이 있다 하는 것만 알아두면 되겠다.

 여기서 중요한것은, 각 body-centered 자리나 face-centered 자리에 어떤 물질들이 자리잡느냐 하는 것인데, 일반적으로 불순물(예를 들면 철에 함유된 탄소) 들이 이런 곳에 자리를 잡는다.

 특이한 케이스로 다이아몬드와 흑연을 한번 생각해보자. 다이아몬드는 탄소들이 결합해있다. 흑연 또한 순수한 탄소들의 결합으로 이루어져있다. 이 둘은 탄소가 어떤 형태, 어떤 모양으로 결합해있는지에 따라 완전히 다른 물리적 특성을 보인다. 다이아몬드는 FCC구조를 가지는데, face-centered 자리에도 탄소가 존재하는 그래서 Diamond FCC라고도 부르는 특별한 구조를 가지고 있다. 흑연은 2차원 평면 구조인 그래핀이 반데르발스 결합으로 약하게 결합되어 있다.

 이러한 특징으로 인해 전기가 잘 통하는지, 또 열이 잘 전달이 되는지, 그리고 강도와 경도가 어떻게 차이가 나는지 등 정말 다양한 물리적 성질의 변화가 발생한다.

 또 한가지 재밌는 얘기는, 보석의 대명사인 루비와 사파이어는 둘 다 알루미나(알루미늄 산화물, $Al_2 O_3$) 이다. 둘 모두 같은 구조를 가지고 있지만, 불순물로 어떤 물질을 함유하고 있느냐에 따라서 여기되는 에너지의 파장대가 달라지고 이로 인해 우리가 시각적으로 받아들이는 색상에 변화가 생기는 것이다.

 또 나중에 얘기하겠지만, 이러한 결정격자와 분순물(결함)은 schottky defect, frenkel defect 등으로 응용되어 전자재료나 반도체 분야에서 필수적인 기술이 된다.

 이 글은 결정 격자에 대한 포스팅이 아니므로 여기까지만 얘기하고 넘어가겠다. 나중에 기회가 된다면 좀더 자세하게 포스팅 해 보겠다.

 

1-2. 결정의 defect 와 dislocation

 

 

1-3. 강도(Strength)와 경도(Hardness) 그리고 취성(Brittleness)

 일상 대화속에서 우리는 저 물건은 강도가 강해서 잘 안부러져. 다이아몬드는 경도가 굉장히 높아 같은 말을 종종 사용하곤 한다. 다만, 이 용어들의 정확한 정의를 이해하지 못하고 사용하는 경우가 굉장히 많다. 본 글을 읽은 독자들은 헷갈리지 않았으면 좋겠다. 한번 정리해보자.

 

1-3-1. 강도(Strength)

 어떤 물질에 인장(引張)이나 압축력이 가해졌을때 소성변형(Plastic Deformation) 에 대해 견디는 정도 를 의미한다. 소성 변형은 실제로 늘어나거나 압축되어 물질이 영구적으로 변형되는 현상을 의미한다. 즉 어떤 물질에 가해지는 힘에대해 원래 형상을 유지하는, 또는 힘에 저항하는 능력을 의미한다고 생각할 수 있다. ( 많은 물질의 변형에는 탄성 변형과 소성 변형이 존재한다 심지어 세라믹도. 탄성 변형은 힘을 줄때는 모양이 변하지만, 힘을 제거하면 다시 원래대로 돌아가는, 소성 변형이 나타나기 전의 변형 구간이다 )

 

1-3-2. 경도(Strength)

 경도란, 강도와 유사하지만 또 많이 다르며 따라서 많은 사람들이 착각하곤 한다. 경도의 정확한 정의는 다음과 같다.

 어떤 물질이 국부적인 소성변형에 대해 견디는 정도. 국부적인, 즉 강도처럼 물질 전체가 아니라 물질의 일부분에 힘을 가했을때(예를 들면 긁는 행위) 이에대해 얼마나 잘 견디는가 하는것이다.

 우리 모두가 알다시피 다이아몬드는 경도가 매우 높다. 그래서 우리가 긁어보아도 생채기 하나 생기지 않는다. 하지만 강도는 높지 않기 때문에 만약 다이아몬드를 망치로 내리치면 곧바로 개발살이 나버릴 것이다. 강도와 경도는 이런 차이가 존재한다.

 

1-3-3. 취성(Brittleness)

 독자들은 취성이란 용어를 들어보았는가? 취성이란 얼마나 취약한지 또는 잘 깨지는지를 의미한다. 대표적으로 세라믹 또는 유리가 있다.(참고로 세라믹은 금속 산화물이고 유리는 실리콘 산화물이다) 유리제품을 택배로 받을때를 생각해보자. 그 택배 상자에는 이런 문구가 적혀있다(Anti Fragile). 즉 잘 깨진다는 의미다. 취성이 바로 이러한 성질을 의미한다. 취성의 반대는 연성(ductileness)이다. 

 

2. 철 이야기

2-1. 철(Steel and Iron)

 우리 일상에서 합금이라는 용어를 참 많이 사용한다. 가장 많이 사용하는 용어는 아마 스뎅이 아닐까? ㅎ 이 스뎅은 Stainless Steel 의 줄임말로 아마 일본어에서 온 것으로 추정된다. 아무튼, 이 스테인리스 스틸이라는 용어는 녹이 슬지 않는 철을 의미한다. 자 그럼 철은 왜 녹이슬까? 그것은 열역학적으로 자연스러운 반응이기 때문이다. (열역학은 신이고 무적이다) 철은 공기중의 산소와 결합해 $ Fe_2 O_3 $를 생성한다. 그리고 이것이 바로 녹이다.

 녹이 발생하면 취성이 생긴다. 철이 부스러지고 강도가 약해지는 것이다. 우리 조상들은 이를 막아보고자 철에 다양한 물질들을 섞어보기 시작했다. 그 중 특히 내부식성을 가지는 합금을 우리는 스테인리스 스틸이라 부르고 여기에 섞는 합금의 조성에따라 303 스테인리스 스틸, 304 스테인리스 스틸 등으로 부른다. 또한 보통 우리 실생활에서 순철은 너무 무르기 때문에 탄소를 섞은 탄소강을 굉장히 많이 사용하는데, 사실 이와같은 합금 방법은 저 멀리 올라가 갓 냉병기를 주조하기 시작했던 청동기 시대에도 존재했다. 즉 야금학은 불의 발견과 함께해온 것이라 해도 과언이 아니다.

 참고로 Iron은 Pig Iron(선철)과 Cast Iron(주철) 로 구분된다. Pig Iron은 코크스에서 막 뽑아내 불순물이 섞여있으며 탄소 함량이 2% 이상인 철을 의미하고, Cast Iron은 여기서 추가로 불순물을 제거했으나 여전히 탄소 함량이 높은 철을 의미한다. Steel은 탄소가 2%이하로 함유된 탄소강을 의미한다.

 미리 말하자면 탄소함량이 높아지면 $Fe_3C$ 라는 시멘타이트 상이 형성되며 취성이 강해진다. 따라서 Fe-C 의 경우 정절한 탄소 함량을 유지하는것이 아주 중요하다.

 아이언맨은 왜 스틸맨이 아닐까? 한번 쯤 생각해볼만한 주제다. :)

 

2-2. Fe-C Diagram

 이그림은 순수한 철에 탄소가 섞였을 때 온도에 따라 어떻게 철의 상태가 변하는지를 보여주는 그래프다. 하단 x축을 보면 왼쪽으로 갈수록 순도 100%의 순수한 철이 되고, 오른쪽으로 갈수록 탄소의 함량이 점점 늘어난다. 심플하게 이 그래프로 가장 우선 알 수 있는 것은 순수한 철의 녹는점이다. 순수한 철의 녹는점은 약 1535 ~ 1538 ℃ 정도로 굉장히 고온에서 녹는다. 아마 상식으로 알고있으면 살면서 언젠가 한번쯤은 꺼드럭 거릴 수 있지 않을까?(참고로 제일 위에 L은 Liquid 즉 액상을 의미한다.)

 이상한 점은 탄소 함량이 증가할수록 액화점이 내려간다. 탄소 조성 약 4.3 wt % 까지 말이다. 그 이후에는 서서히 증가하는 모습을 보인다. (해당 내용은 이 글의 범위를 벗어나므로 추후에 별도로 포스팅 해보겠다)

 왜 Fe-C 만 특별히 이렇게 다이어그램을 연구할까? 하는 독자들도 있겠지만, 금속 공학을 공부하다 보면 다른 합금의 상태도 또한 필요할 때 마다 참고한다. 다만 Fe-C 의 경우에는 유독 철의 탄소 용해도가 높아 잘 녹아들고, 또 이로인해 특별히 특성이 좋아져 공학적으로 의미가 있기 때문이다.

 

2-3. Fe-C Diagram 분석(미시적 관점)

 

 

2-3. Quenching(냉각)과 (Ageing)시효

 

 

2-4. 탄소강 조직의 여러가지 형태(거시적 관점)

페라이트, 오스테나이트, 베이나이트, 마텐자이트 그리고 펄라이트