[신소재기초실험]냉각곡선으로 공정합금 상태도를 만들고 2원계 합금의 관계알기 3부

실험 결과

1. X-Y 기록계의 냉각곡선(생략)

 

2. 냉각곡선 (단, 과냉 부분은 등온변태로 가정하였다.)

	시편 1 (8wt%Sn)	시편 2 (26.1wt%Sn)	시편 3 (30wt%Sn)	시편 4 (56.6wt%Sn)	시편 5 (65.6wt%Sn)	시편 6 (90wt%Sn)
1 변태	306.5℃	263℃	266℃	203℃	202℃	220℃
2 변태	294℃	187℃	187℃	190℃	187℃	187.5℃
3 변태	190℃
4 변태	113℃

 

3. 시간에 따른 온도변화(단, 시간은 초단위)

1) 시편 1(8wt%Sn) : 냉각시작 온도는 350℃

시간(s)	0	115	309	417	791	806	1403	1497
온도(℃)	350	306.5	306.5	294	190	190	113	100

2) 시편 2(26.1wt%Sn) : 냉각시작 온도는 350℃

시간(s)	0	266	748	928	1116
온도(℃)	350	263	187	187	150

3) 시편 3(30wt%Sn) : 냉각시작 온도는 350℃

시간(s)	0	223	676	856	1036
온도(℃)	350	266	187	187	150

4) 시편 4(56.6wt%Sn) : 냉각시작 온도는 350℃

시간(s)	0	475	583	1029	1152
온도(℃)	350	203	190	190	150

5) 시편 5(65.6wt%Sn) : 냉각시작 온도는 350℃

시간(s)	0	576	828	1116	1332
온도(℃)	350	202	187	187	150

6) 시편 6(90wt%Sn) : 냉각시작 온도는 350℃

시간(s)	0	432	972	1101	1281
온도(℃)	350	220	187.5	187.5	165

 

4. 냉각곡선을 이용한 상태도 작성

1) 시편 1(8wt%Sn)

2) 시편 2(26.1wt%Sn)

3) 시편 3(30wt%Sn)

4) 시편 4(56.6wt%Sn)

5) 시편 5(65.6wt%Sn)

6) 시편 6(90wt%Sn)

7) Pb-Sn합금의 공정점과 상태도

5. 이론과의 차이점

1) 실험에서는 Pb-Sn 상태도에서와 같이 공정온도가 183℃가 나오지 않고, 그보다 높은 187℃의 공정온도가 나타났다.

2) 냉각곡선에서 크기는 미세하지만, 약간의 과냉이 나타났다.

3) 시편 1(8wt%Sn)에서 변태온도가 3개가 나와야 하는데 4개의 변태온도가 나타났다.

4) 공정온도에서 유지시간이 조성에따라 차이가 났다.

5) 시편 2와 3의 α고용체 석출시작 온도가, 시편 2보다 3이 낮아야 하는데 반대이다.

 

토의 사항

1. 시편 1(8wt%Sn)의 냉각곡선에서 190℃에서 상변태가 일어났다.

350～306.6℃ 구간 : 액체구간으로 Sn과 Pb가 융해되어있다.

306.6～294℃ 구간 : α고용체와 액체가 공존하는 영역이다.

294～113℃ 구간 : α고용체 석출되는 영역이다. 그런데 190℃에서 상변태가 일어났다. 이 온도는 실험결과로 나온 공정온도 187℃와 비슷한 온도이다.

113℃이하 구간 : α고용체와 β고용체가 공존하는 영역이다.

 

2. 고상에서 일어난 변태는 변태점을 찾기가 어려웠다.

시편 1에서의 고상변태는 α고용체가 α+β고용체로 변태는 것이다. 하지만 냉각곡선 상에서도 명확한 냉각속도의 변화를 보여주지 않고 아주미세한 변화만을 보여주었다.

 

3. 냉각곡선에서 조성에 따른 공정온도 유지시간의 차이가 있었다.

공정온도의 유지시간이 차이가 나는 이유는 공정반응을 할 액상의 양에 비례한다. 상태도를 보면 고정온도보다 0.1℃라도 높으면 고용체와 액체가 공존하는 영역이고, 0.1℃라도 낮으면 공정반응을 일으켜 α+β고용체를 생성한다. 이 액체의 양에의해 공정 온도의 유지시간이 결정된다.

 

4. 시편 2(26.1wt%Sn)와 3(30wt%Sn)의 변태온도가 시편 2가 높아야 하는데 3이 높았다.

왜 이러한 실험결과가 나왔는지, 조원들과 의논해 보았지만 실험에서 특별히 문제가 될 만한 것은 없었다. 하지만 시편 2와 3의 조성차이가 얼마 나지 않았고, 또 실험 조건이 완벽한 평형상태에서 이루어진 실험이 아니었기 때문에 이러한 결과가 나왔다는 결론을 내리게 되었다.

 

5. 결론

실험 결과와 이론과 많은 차이를 보였다. 이것은 이론은 평형상태에서 실험을 한 것이고 실험은 급속응고를 한 비평형상태에서 한 실험이기 때문에 많은 차이를 보인 것이다. 그러나 실험을 통해서 실험 시작 전에 이론으로 배웠던 것을 확인해 볼 수 있었다. 그리고 냉각곡선을 통해 상태도를 그려봄으로 해서 상태도를 보고 일정 온도에서 어떤 상태로 존재하는가를 알 수 있었다. 이외에도 시편제작 방법, 열전대나 도가니와 같은 실험 도구의 사용법을 배웠다

참고 문헌

1. 금속조직학, 김일문, 보성당, 1996년

2. 상태도와 조직, 태훈출판사, 2003년

3. 비철금속재료, 이지환, 원창출판사, 1996년

4. 재료기초실습,김학윤, 기전연구사, 2002년

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