확산형 상변태 (diffusional phase transformation)

확산형 상변태 (diffusional phase transformation) 는 원자가 확산에 의해 이동하여 다른 조성 및 구조를 가진 새로운 상을 형성하는 고체-고체 상변태입니다. 이러한 상변태 과정을 통해 기계적, 물리적 및 화학적 특성에 영향을 미칩니다.
확산 상변태의 속도 (kinetics) 는 구동력, 핵형성 속도, 계면 이동성, 확산 계수 및 응력과의 상호 작용과 같은 여러 요인에 따라 달라집니다. 온도, 구성, 미세 구조 및 변형에 의해 영향을 받을 수 있습니다.
 
확산 상변태는 몇 가지 유형으로 구분할 수 있습니다.

• 석출 (precipitation): 이것은 과포화 고용체에서 용질이 풍부한 상(석출물)이 형성되는 상변태 과정입니다. 석출물과 모상 (matrix)의 경계에서의 정합성 (coherency)에 따라 G-P zone, 준안성상, 안정성 등으로 구분할 수 있습니다.
• 공석 (eutectoid): 고정된 조성과 온도에서 단일 상(오스테나이트)이 두 상(페라이트 및 시멘타이트)으로 분해되는 상변태 과정입니다. 변태 과정 중 경계에서의 정합성이 없는 안정상이 형성되며, 공석점에서 평형에 따른 자유 에너지의 감소가 반응의 구동력으로 작용합니다. 공석 변형의 일반적인 예는 Fe-C 합금에서 펄라이트의 형성입니다.
• 정렬 (ordering): 무질서한 고용체(A-B)가 초격자 구조를 가진 정렬된 화합물 (AB)로 변환되는 상변태 과정입니다. 정렬된 상과 무질서한 상은 화학적 성분은 동일하지만 결정 구조가 달라집니다. 혼합에 따른 엔트로피 증가로 인한 자유 에너지의 감소가 반응의 구동력으로 작용합니다.
• Massive: 단일상(β)이 조성이 같은 다른 결정 구조를 가진 다른 단일상(α)으로 변태가 일어나는 과정을 말합니다. α상과 β상은 조성은 같지만 결정 구조가 다릅니다.
• 다형성 (Polymorphic): 순금속이 단일상이 다른 결정 구조를 가진 또 다른 단일상으로 상변태되는 과정을 말합니다. α상과 β상은 조성은 같지만 결정 구조가 다릅니다. 구동력은 격자 에너지의 변화로 인한 자유 에너지의 감소입니다. 다형성 변형의 예는 흑연에서 다이아몬드가 형성되는 것입니다.

Examples of different categories of diffusional phase transformations: (a) precipitation; (b) eutectoid; (c) ordering; (d) massive; (e) polymorphic (single component). [1]

확산 상변태 과정은 전자현미경, 회절 패턴, 열량 측정 및 분광법과 같은 다양한 실험 기술로 연구할 수 있습니다. 또한 열역학 계산, 동역학 모델 및 원자 시뮬레이션과 같은 다양한 계산 방법으로 시뮬레이션할 수 있습니다.
 
참고
[1] D.A. PORTER, K.E. EASTERLING, and M.Y. SHERIF, Phase Transformations in Metals and Alloys
[2] 석출 강화(precipitation strengthening)의 정의와 방법