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Fe-C 상태도 심화
변태선, 상변태, TTT/CCT 다이어그램
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Fe-C 상태도(Iron-Carbon Phase Diagram)는 용접 야금의 가장 기본적인 도구입니다. 탄소 함량(0~6.67%)에 따라 어떤 온도에서 어떤 상(Phase)이 존재하는지를 보여줍니다. 용접기사 시험에서 단독으로 3~5문항이 출제되는 핵심 주제입니다.
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주요 상(Phase)과 조직
| 상/조직 | 결정구조 | 특징 |
|---|---|---|
| 페라이트(α-Fe, Ferrite) | BCC | 연하고 연성 큼, 탄소 고용도 매우 낮음(최대 0.022%) |
| 오스테나이트(γ-Fe, Austenite) | FCC | 고온 상, 탄소 고용도 높음(최대 2.11%), 비자성 |
| 시멘타이트(Fe₃C, Cementite) | 사방정 | 매우 경하고 취성, 탄소 6.67% 고정 화합물 |
| 펄라이트(Pearlite) | — | 페라이트 + 시멘타이트의 층상 혼합 조직 (0.77%C) |
| 레데뷰라이트(Ledeburite) | — | 오스테나이트 + 시멘타이트의 공정 조직 (4.3%C) |
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핵심 변태선과 온도
| 변태선/점 | 온도 | 의미 |
|---|---|---|
| A₁ (하부 임계선) | 727°C | 공석 변태 온도. 이 온도 이하에서 오스테나이트 → 펄라이트 변태 |
| A₃ (상부 임계선) | 912°C(순철) | 아공석강에서 페라이트 → 오스테나이트 변태 완료선 |
| Acm | — | 과공석강에서 시멘타이트 용해도 한계선 |
| 공석점 | 727°C, 0.77%C | 오스테나이트 → 페라이트 + 시멘타이트(펄라이트) 동시 변태 |
| 공정점 | 1,147°C, 4.3%C | 액체 → 오스테나이트 + 시멘타이트(레데뷰라이트) |
| 포정점 | 1,495°C, 0.18%C | 액체 + δ-페라이트 → 오스테나이트 |
> 아공석강: C < 0.77% (대부분의 구조용 탄소강)
> 과공석강: C > 0.77% (공구강 등)
시험 필수 암기: A₁ = 727°C, 공석 탄소량 = 0.77%, 공정 탄소량 = 4.3%, 강과 주철의 경계 = 2.11%C. 이 네 가지 숫자는 거의 매 시험에 출제됩니다.
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3대 반응(변태)
| 반응 | 온도 | 탄소량 | 반응식 |
|---|---|---|---|
| 공석 반응 | 727°C | 0.77%C | γ(0.77%C) → α(0.022%C) + Fe₃C(6.67%C) |
| 공정 반응 | 1,147°C | 4.3%C | L(4.3%C) → γ(2.11%C) + Fe₃C(6.67%C) |
| 포정 반응 | 1,495°C | 0.18%C | L + δ → γ |
> 공석(Eutectoid): 고체 → 고체 + 고체
> 공정(Eutectic): 액체 → 고체 + 고체
> 포정(Peritectic): 액체 + 고체 → 고체
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TTT 다이어그램 (Time-Temperature-Transformation)
Fe-C 상태도는 매우 느린 냉각(평형 상태)에서의 조직을 보여주지만, 실제 용접에서는 빠른 냉각이 일어납니다. TTT 다이어그램은 특정 온도에서 등온 유지 시 시간에 따른 변태를 보여줍니다.
냉각 속도에 따른 생성 조직:
| 냉각 속도 | 생성 조직 | 경도 | 인성 |
|---|---|---|---|
| 매우 느림 | 조대 펄라이트 | 낮음 (~200HV) | 높음 |
| 느림 | 미세 펄라이트 | 중간 (~300HV) | 중간 |
| 중간 | 베이나이트 | 중상 (~350HV) | 양호 |
| 빠름 | 마르텐사이트 | 매우 높음 (~700HV) | 매우 낮음 |
> CCT 다이어그램(Continuous Cooling Transformation): TTT와 유사하나 연속 냉각 조건을 반영하여 실제 용접 조건에 더 가깝습니다.
용접에서 마르텐사이트가 문제인 이유: 매우 경하지만 취성이 커서 균열(저온 균열)이 발생합니다. 이를 방지하기 위해 **예열(Preheat)**로 냉각 속도를 늦추고, **PWHT**로 마르텐사이트를 템퍼링합니다.
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용접과 Fe-C 상태도의 관계
용접부의 각 영역은 Fe-C 상태도에서 다른 온도 범위를 경험합니다:
- 용착금속: 용융점 이상 → 완전 용융 후 응고
- CGHAZ(조립열영향부): A₃ 이상 상당히 높은 온도 → 결정립 조대화
- FGHAZ(세립열영향부): A₃ 바로 위 → 결정립 미세화 (가장 좋은 성질)
- ICHAZ(불완전변태영역): A₁~A₃ → 부분적 오스테나이트화
- SCHAZ(아임계열영향부): A₁ 이하 → 템퍼링 효과만
이 구분이 HAZ 4개 영역의 금속학적 근거입니다.
1
핵심 온도 확인
A₁=727°C(공석), A₃=912°C(상부 임계). 용접 시 HAZ는 이 온도대를 경험합니다.
2
상(Phase) 식별
페라이트(BCC, 연함), 오스테나이트(FCC, 고온), 시멘타이트(Fe₃C, 경함), 펄라이트(혼합) 구분.
3
TTT/CCT 해석
냉각 속도에 따라 생성 조직 결정: 느림→펄라이트, 중간→베이나이트, 빠름→마르텐사이트.
4
용접 적용
예열로 Δt₈/₅를 늘려 마르텐사이트 생성 방지. PWHT로 경화 조직을 템퍼링합니다.
🎯 학습 확인 퀴즈⚠️ 자체 제작 문항1 / 9
Fe-C 상태도에서 A₁ 변태선의 온도는?