전율 고용 상태도 - 2원계 상태도 기초

2원계 상태도 (binary phase diagram)에서 가장 단순하고 쉽게 이해할 수 있는 유형 중 하나는 구리와 니켈의 2원계상태도와 같은 전율 고용 (binary isomorphous systems) 상태도입니다.

Binary Co-Ni phase diagram [1]

위 상태도에서 세로축은 온도를, 가로축은 합금의 조성을 나타내는데, 이 그림에서는 니켈의 중량 퍼센트(아래) 및 원자 퍼센트(위)로 표시됩니다. 이 상태도에서는 알파(α), 액상(L) 및 두 상의 α + L 영역의 세 가지 다른 상 영역이 존재합니다. 각 영역은 상 경계선에 의해 정의되며, 해당 온도와 조성 범위에서 존재하는 상 또는 상들로 구성됩니다. 액체상은 구리와 니켈로 이루어진 균일한 액체 용액입니다. α상은 Cu와 Ni 원자로 이루어진 치환 고용체이며 FCC (면심정방체) 구조를 가지고 있습니다. 약 1080℃ 이하의 온도에서 구리와 니켈은 모든 조성에서 고체 상태에서 상호 용해됩니다. 이 완전한 용해도는 Cu와 Ni 모두가 동일한 결정 구조 (FCC), 거의 동일한 원자 반지름과 전기 음성도, 유사한 원자가를 가지기 때문에 설명됩니다. 상 경계에 관해서는 L과 α + L 상 필드를 분리하는 선은 액상선 (liquidus line)이라고 불리며, 고상선 (solidus line)은 α와 α + L 영역 사이에 위치하며, 이 선 아래에서는 오직 고체 a상만 존재합니다. 고상선과 액상선은 두 개의 조성 극값에서 교차하게 되는데, 이 교차점은 순수한 구리나 니켈의 녹는점에 해당합니다. 예를 들어, 순수한 구리와 니켈의 용융 온도는 각각 1085℃와 1453℃입니다. 순수한 구성 요소 (여기에서는 구리나 니켈)가 아닌 어떤 합금 조성의 경우, 용융 현상은 고상선과 액상선 사이의 온도 범위에서 발생하며, 이 온도 범위 내에서는 고체 α상과 액체상이 평형을 이룹니다. 예를 들어, 50 wt% Ni-50 wt% Cu 합금을 가열하는 경우, 약 1280℃ (2340℉)에서 용융이 시작되며, 액체 상의 양은 온도에 따라 지속적으로 증가하다가 약 1320℃ (2410℉)에서 합금은 완전히 액체 상태가 됩니다.

 

상의 조성 (농도) 결정 방법 / Determination of phase compositions

특정한 상의 농도를 결정하기 위해서는 상태도에서의 온도-조성의 위치를 찾아야 합니다. 단상 (한 개의 상) 및 이상 (두 개의 상)이 있는 영역에 따라 다른 방법이 사용됩니다. 단일 상만 존재하는 영역의 경우, 간단합니다. 해당 상의 조성은 합금의 조성과 동일합니다. 예를 들어, 1100°C에서 60 wt% Ni - 40 wt% Cu 합금은 동일한 조성 (60 wt% Ni - 40 wt% Cu)의 α상만 존재합니다.

두 상이 함께 존재하는 영역에서는 조금 더 복잡합니다. 모든 이상 영역에서는 각 온도마다 수평선을 상상할 수 있으며, 이는 tie line (타이라인) 또는 isotherm 이라고 합니다. 이러한 tie line은 이상 영역을 가로지르며 양쪽의 상태 경계선에서 끝나게 됩니다. 두 상의 평형 농도를 계산하기 위해서는 다음의 순서로 계산을 하게 됩니다.

1. 합금의 온도에서 이상 영역을 가로지르는 tie line을 그립니다.
2. tie line과 양쪽의 상태 경계선의 교차점을 확인합니다.
3. 이 교차점에서 수직선을 내려 각 상의 조성을 확인 합니다.

예를 들어, 35 wt% Ni - 65 wt% Cu 합금을 생각해 보면, 1250°C에서 α + L 영역에 위치합니다. α상과 액체 상의 조성을 결정해야 합니다. 우선, α + L 상 영역을 가로지르는 tie line을 그립니다. tie line과 액상 경계의 교차점에서의 조성은 31.5 wt% Ni - 68.5 wt% Cu, α고용체 상의 조성인 Cα는 고체 상태 - tie line의 교차점에서 42.5 wt% Ni - 57.5 wt% Cu의 조성을 찾을 수 있습니다.

 

참고

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

[2] 고용체 합금 (solid-solution alloy)의 분류와 예

[3] 용해한도 (solubility limit) - 상태도 기초

[4] 상 분율 계산 - 2원계 상태도 해석