9. 금속재료-금속조직

 

1. 고용체합금

2성분계 고용체합금은 고용체를 만드는 용매와 용질 원자간에 있어서의 비율 즉, 농도에 따라 전율고용체(continuous solid solution)와 한율고용체(partially misciblesolid solution)로 분류된다.

 

ㆍ고용체(solid solution)

A 금속에 다른 B 금속을 첨가할 때 어느 정도까지는 A 금속의 격자 중에 B의 원자가 들어가도 A의 격자 모양을 유지한다. 순금속 A와 그 중에 들어간 B가 일정하게 분포되어 있을 때, 즉 2개의 원소 이상으로 된 단일상(single phase)의 고체에서 1개 원소의 결정이 다른 원소에 용해된 것을 고용체(solid solution)라 한다.

실제 사용되는 대개의 금속이 고용체이며, 고체 금속은 결정격자를 구성하고 있으므로, 이것에 다른 금속 또는 비금속 원자가 녹아 들어가면 한 개의 원자로서 모체의 결정격자 가운데에 들어가는 것이며, 그 방법에는 침입형과 치환형의 2가지가 있다.

<고용체의 공간격자의 종류>

(a)는 녹아들어가는 원자(용질원자)가 모체의 원자(용매원자)의 공간격자 사이에 들어가는 침입형 고용체(interstitial solid solution)를 보여 주고 있으며 (b)는 녹아들어가는 원자가 모체 원자와 불규칙적으로 치환된 치환형 고용체(substitutional solid solution)를 나타낸 것이다.

위에서 설명한 고용체는 어느 경우를 막론하고 녹아들어가는 원자의 배열은 불규칙적이었으나, 어느 종류의 고용체에 있어서는 (c)와 같이 규칙적으로 배열하고 있으며, 이와 같은 것을 규칙격자(super lattice)라고 한다. 규칙격자를 만드는 합금도 고온에 있어서는 불규칙적인 원자 배열을 하며, 어느 한계온도를 경계로 하여 그 온도 이하에서 규칙격자가 생긴다.

규칙격자를 만들려면 서서히 냉각하거나, 한계온도보다 약간 낮은 온도로 오랜 시간 가열하여야 한다. 규칙격자를 만드는 고용체는 Cu3Au, Ni3Fe, CuAu 등으로, 이들은 어느 것이나 면심입방격자를 가지고 있다.

 

ㆍ전율고용체(continuous solid solution)

고용체를 만드는 용매와 용질원자 간에 있어서의 모든 비율, 즉 전 농도에 걸쳐 고용체(solid solution)를 만드는 경우를 전율고용체(continuous solid solution)라 하는데, 모든 비율로써 고용체를 만들기 위해서는 A, B 두 성분이 같은 형의 결정격자를 가지고 있고, 성분원자의 지름의 차이가 작을 것, 또 성분원자의 상호 결합력이 크지 않아야 한다.

전율고용체의 냉각곡선과 상태도를 나타낸 것으로 냉각곡선 중 수평부분은 순금속의 용융점을 나타내고 있으며, m합금에서의 절점은 용액으로부터 고용체가 정출함을 나타낸다. 이것 때문에 발열함으로써 냉각속도는 대단히 완만해진다. 상태도에서 용액과 접해 있는 선을 액상선(liquidus), 고용체에 접해 있는 선을 고상선(solidus)이라 한다.

m합금의 냉각과정을 보면, 온도 t2에 도달할 때에는 고용체 α가 정출하기 시작하고 온도가 t4에 도달할 때에는 액체의 농도는 ℓ4가 되며, 농도 S4의 고용체가 정출한다.

이때의 양적 비율은 다음과 같다.

<전율고용체의 냉각곡선과 상태도>

온도 t5에 도달할 때에는 용액의 농도는 ℓ5, 고용체의 농도는 S5로 되고, 양적 비율은,

로 된다. 즉, 융액은 완전히 소실되어 응고가 끝난다.

이런 형태의 상태도를 가지는 합금에는 Ag-Au, Cu-Ni, Bi-Sb 등이 있다.

 

ㆍ한율고용체(partially miscible solid solution)

A금속의 격자점을 B금속의 원자가 점유하는 치환형 고용체에서는 그 금속의 원자지름의 차이에 따라서 격자의 변형(strain)이 생긴다. 그 모형은 그림과 같으며 A금속의 격자점을 B금속이 점유하여 전부 B원자와 치환할 때에는 전율가용고용체가 되지만, 그런 조건이 되지 못할 경우 즉, 원자 지름의 차가 15% 이상이 되면 변형이 크므로 전율고용체가 되지 못하고, A금속의 격자가 존속할 수 없는 한계에 도달한다.

이 한계를 A금속에 대한 B금속의 고용체의 용해한도라 하며, 이와 같은 고용체를 한율고용체(partially miscible solid solution)라 한다.

 

 

<한율고용체의 상태도>

 

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평형상태도의 영역에 대해 살펴 보면 다음과 같다.

Ⅰ : 용체(melt)

Ⅱ : 용체 + α(초정)

Ⅲ : 용체 + β(초정)

Va : α+ 공정(α+β)

Ⅳ : α고용체

Ⅵ : β고용체

Vb : β+ 공정(α+β