P1-2325분
Fe-C 상태도와 변태
A1/A3 변태선, 공석·포정 반응, 조직 분류
🔵Reviewed — 교차 검증 완료
🔵 Reviewed
Fe-C 상태도(Iron-Carbon Phase Diagram)는 용접 야금의 가장 기본이 되는 도구입니다. 철(Fe)에 탄소(C)가 0~6.67wt% 범위로 첨가될 때 온도에 따라 어떤 상(Phase)과 조직(Microstructure)이 나타나는지를 보여줍니다. 용접기사 시험에서 상태도 관련 문항은 매 회 2~3문제 출제되며, HAZ 조직 예측의 기초가 됩니다.
Fe-C 상태도의 주요 영역:
| 영역 | 탄소 범위 (wt%) | 대표 상·조직 |
|---|---|---|
| 순철(Pure Iron) | 0 | α-Fe(BCC) → γ-Fe(FCC) → δ-Fe(BCC) → 액상 |
| 아공석강(Hypoeutectoid) | 0.02~0.76 | 페라이트(α) + 펄라이트 |
| 공석강(Eutectoid) | 0.76 | 펄라이트 100% |
| 과공석강(Hypereutectoid) | 0.76~2.11 | 시멘타이트(Fe₃C) + 펄라이트 |
| 아공정 주철 | 2.11~4.3 | 주조용 |
| 공정 주철 | 4.3 | 레데뷰라이트 |
| 과공정 주철 | 4.3~6.67 | 초정 시멘타이트 + 레데뷰라이트 |
> 탄소강(Carbon Steel)은 C ≤ 2.11%까지, 주철(Cast Iron)은 C > 2.11%로 분류합니다. 용접 대상은 대부분 탄소강(0.05~0.60%C)입니다.
🔵 Reviewed
순철의 동소변태(Allotropy)
순철(C = 0%)은 온도에 따라 결정 구조가 바뀝니다. 이를 동소변태(Allotropic Transformation)라 합니다.
| 온도 범위 | 상 | 결정 구조 | 특징 |
|---|---|---|---|
| 실온~912°C | α-Fe (페라이트) | BCC (체심입방) | 자성체, 연질, C 고용 한도 0.022% |
| 912~1394°C | γ-Fe (오스테나이트) | FCC (면심입방) | 비자성, C 고용 한도 2.11% |
| 1394~1538°C | δ-Fe (델타 페라이트) | BCC (체심입방) | 고온 상, C 고용 한도 0.09% |
| 1538°C 이상 | 액상(Liquid) | — | 용융 상태 |
핵심 포인트: 오스테나이트(γ)는 FCC 구조로 탄소를 최대 2.11%까지 고용할 수 있지만, 페라이트(α)는 BCC 구조로 탄소를 0.022%밖에 고용하지 못합니다. 이 차이가 냉각 시 탄소가 석출되어 시멘타이트(Fe₃C)를 형성하는 근본 원인입니다.
🔵 Reviewed
주요 변태점과 반응
| 변태점 | 온도 | 반응 | 설명 |
|---|---|---|---|
| A1 (공석점) | 727°C | γ → α + Fe₃C (펄라이트) | 공석 반응 — 가장 중요! |
| A3 | 912°C(순철) ~ 727°C(0.76%C) | γ ↔ α 경계 | 탄소량 증가 시 A3 하강 |
| Acm | 727°C ~ 1147°C | γ ↔ Fe₃C 경계 | 과공석강 영역 |
| A4 | 1394°C | γ ↔ δ 경계 | δ-Fe 변태 |
| 포정점 | 1495°C | L + δ → γ | 포정 반응 |
| 공정점 | 1147°C, 4.3%C | L → γ + Fe₃C | 주철 영역 (레데뷰라이트) |
공석 반응(Eutectoid Reaction) 상세:
- 727°C에서 탄소 0.76%의 오스테나이트가 페라이트(α, 0.022%C) + 시멘타이트(Fe₃C, 6.67%C)로 동시 분해
- 이 층상(Lamellar) 조직을 펄라이트(Pearlite)라 부름
- 펄라이트 = α(88%) + Fe₃C(12%)의 교대 층상 구조
포정 반응(Peritectic Reaction):
- 1495°C에서 액상(L) + δ-페라이트 → 오스테나이트(γ)
- 일부 저합금강 연주(연속주조) 시 포정 균열 원인이 됨
시험 핵심: A1 = 727°C, 공석 탄소 = 0.76%C는 반드시 암기하세요. "A1 이하에서 오스테나이트가 존재하는가?" → 평형 상태에서는 불가능합니다. 단, 빠른 냉각 시 과냉 오스테나이트(잔류 오스테나이트)가 남을 수 있습니다 — 이것이 P1-24에서 다룰 TTT/CCT의 핵심입니다.
🔵 Reviewed
아공석강 vs 과공석강 — 조직 차이
| 구분 | 탄소 범위 | A3 이상 → 서냉 시 조직 변화 | 최종 조직 |
|---|---|---|---|
| 아공석강 | 0.02~0.76%C | γ → 초석 페라이트 석출(A3~A1) → 나머지 γ가 펄라이트(A1) | 초석 페라이트 + 펄라이트 |
| 공석강 | 0.76%C | γ → 펄라이트(A1) | 펄라이트 100% |
| 과공석강 | 0.76~2.11%C | γ → 초석 시멘타이트 석출(Acm~A1) → 나머지 γ가 펄라이트(A1) | 초석 시멘타이트 + 펄라이트 |
아공석강에서 탄소 함량이 증가할수록 펄라이트 비율이 증가하고, 이에 따라 경도·인장강도가 올라가지만 연성·인성은 감소합니다.
탄소 함량별 기계적 성질 변화:
| 탄소 (wt%) | 인장강도 (MPa) | 경도 (HB) | 연신율 (%) | 용접성 |
|---|---|---|---|---|
| 0.10 | ~350 | ~100 | ~35 | 우수 |
| 0.20 | ~450 | ~130 | ~28 | 양호 |
| 0.30 | ~550 | ~160 | ~22 | 보통 |
| 0.45 | ~700 | ~200 | ~15 | 주의 필요 |
| 0.60 | ~800 | ~230 | ~10 | 곤란 (예열 필수) |
| 0.76 | ~900 | ~280 | ~5 | 매우 곤란 |
탄소 함량과 용접성의 관계: 일반적으로 C ≤ 0.25%이면 별도 예열 없이 용접 가능, C > 0.35%이면 예열·후열 필수입니다. 탄소당량(CE) 계산으로 정량적 판단이 가능하며, 이는 P1-24에서 상세히 다룹니다.
🔵 Reviewed
용접과 Fe-C 상태도의 관계
Fe-C 상태도는 평형 상태(극히 느린 냉각)를 가정합니다. 그러나 실제 용접에서는 매우 빠른 가열과 냉각이 일어나므로 비평형 조직이 형성됩니다.
용접 HAZ(Heat Affected Zone)에서의 변태:
| HAZ 구역 | 최고 도달 온도 | 상태도 관점 | 실제 조직 |
|---|---|---|---|
| 용융선(Fusion Line) | 용융점(~1500°C) | 완전 용융→응고 | 주상정, 편석 가능 |
| 조립(粗粒) HAZ | 1100~1500°C | γ 단상, 결정립 조대화 | 조대 오스테나이트 → 경화 조직 위험 |
| 세립(細粒) HAZ | A3~1100°C | γ 단상, 결정립 미세 | 미세 조직, 양호한 인성 |
| 불완전 변태 HAZ | A1~A3 | α + γ 이상(二相) 영역 | 부분 오스테나이트화 → 혼합 조직 |
| 템퍼링 HAZ | A1 이하 (~600°C) | α + Fe₃C 영역 | 기존 조직의 템퍼링(연화) |
| 모재(비영향부) | 200°C 이하 | 변화 없음 | 원래 조직 유지 |
핵심: 조립 HAZ가 가장 위험합니다. 결정립이 조대화되어 인성이 저하되고, 빠른 냉각 시 마르텐사이트 형성으로 경화·균열 위험이 있습니다.
Ac1 vs A1: 가열 시 변태점을 Ac(chauffage, 프랑스어로 가열), 냉각 시 변태점을 Ar(refroidissement, 냉각)이라 표시합니다. 가열 시에는 Ac1 > A1(과열 필요), 냉각 시에는 Ar1 < A1(과냉 필요)입니다. 이 차이를 히스테리시스(Hysteresis)라 합니다.
1
상태도 읽기
Fe-C 상태도에서 가로축(탄소 wt%), 세로축(온도)을 확인합니다. 단상 영역(α, γ, L)과 이상 영역(α+γ, γ+Fe₃C 등)을 구분합니다.
2
변태점 확인
주어진 강종의 탄소 함량에서 세로선을 그어 A1(727°C), A3, Acm 변태점을 읽어냅니다. 예: 0.3%C강 → A3 ≈ 810°C, A1 = 727°C.
3
조직 예측
레버 룰(Lever Rule)로 각 상의 비율을 계산합니다. 예: 0.3%C강을 727°C 바로 위에서 → 페라이트 비율 = (0.76-0.30)/(0.76-0.022) ≈ 62%.
4
용접 HAZ 적용
HAZ 각 구역의 최고온도를 상태도에 대입하여 어떤 상 변화가 일어나는지 예측합니다. 조립 HAZ(>1100°C)는 경화 위험 → 예열·입열 제어 필요.
🎯 학습 확인 퀴즈⚠️ 자체 제작 문항1 / 7
Fe-C 상태도에서 A₁ 변태 온도(공석 온도)는 약 몇 °C인가?