공정 합금 (eutectic alloy)에서의 미세조직 변화

Tin-Lead, 주석과 납의 2원계 상태도에서 미세조직의 변화를 생각해 봅시다. 

공정합금의 미세조직변화 [1]

위의 그림과 같이 합금의 조성이 C1인 경우, 액체 상태 영역 내의 온도에서 느리게 냉각되는 상황을 생각해 봅시다. 예를 들어, 350°C에서 더 아래로 이동하는 수직의 점선에 해당합니다. 합금은 C1 조성을 가진 채로 액체 상태로 남아 있으며, 약 330°C에서 액상선(liquidus line)을 넘어가면 고체 alpha 상이 형성되기 시작합니다. alpha상 + L 상 공존 영역을 통과하면서, 계속해서 냉각하면 더 많은 고체 alpha상이 형성됩니다. 또한, 액체 및 고체 상태의 조성은 각각 액상선과 고상선 경계를 따라 이동하며 달라지게 됩니다.

 

공정 합금의 미세조직 변화 [1]

조성 C2에서의 평형상태의 냉각 시 미세조직이 어떻게 변할지 생각해 보겠습니다. 냉각선 xx'와 solvus line의 교차점까지의 변화는 조성 C1에서의 상황과 유사하며, f의 온도에 이르렀을 때 미세조직은 조성 C2의 alpha상으로 구성되게 됩니다. 여기에서 solvus line을 넘어가면 alpha상의 고상 용해 한계를 초과하게 되어 작은 beta상 입자가 형성되며, 이러한 미세조직은 g점의 미세조직의 모식도를 통해 이해할 수 있다. 계속해서 냉각하면, beta상의 질량 분율과 입자의 크기에 변화가 생기게 됩니다.

 

공정합금의 미세조직의 변화 [1]

세 번째 경우는 공정 조성인 61.9 wt% Sn의 고상화에 대한 공정 반응(eutectic reaction)에 대해서 알아봅시다. 그림의 수직냉각선 yy'를 따라 아래로 이동하게 되면. 온도가 낮아져도 공정 온도(eutectic temperature)인 183°C에 도달할 때까지는 아무런 변화가 일어나지 않습니다. 공정 반응이 일어나는 등온선을 넘어가면 액체가 alpha와 beta 두 상으로 변화합니다. 이 변화 과정은 다음 반응식으로 나타낼 수 있습니다:

 

L (61.9 wt% Sn) → alpha (18.3 wt% Sn) + beta (97.8 wt% Sn)

 

각 상의 조성은 공정 등온선의 끝점에 의해 결정됩니다. 이러한 상변태 과정에서는 납과 주석 성분의 재분배가 필요한데, alpha상과 beta상은 각각 다른 조성을 갖고 있으며, 액상의 조성과도 다릅니다. 이 재분배 과정은 원자의 확산을 통해 이루어집니다. 이 변화로 인해 생기는 고상의 금속조직은 alpha상과 beta상이 번갈아가며 형성되는 라멜라 (lamellae) 구조가 됩니다. 

 

2원계 공정 상태도 (eutectic phase diagram) (tistory.com)

응고 시 미세조직의 변화를 상태도로 이해하자 (tistory.com)

 

참고

[1] William D. Callister Jr., David G. Rethwisch, Materials Science and Engineering