금속 재료가 널리 사용되는 이유 중의 하나는 이들 재료가 가질 수 있는 기계적 특성의 폭이 넓고, 이러한 특성을 여러 방법에 의해 용이하게 구현할 수 있다는 것이다.
일반적으로 단일상(signle-phase)과 2상(two-phase)합금에서 미세 구조의 변화는 상변태(phase transformation)-상의 종류 또는 상의 수의 변화-를 수반한다.
변태 속도(Transformation rate)
상변태는 순간적으로 일어나지 않고 시간, 즉 변태 속도에 의존하여 진행된다.
상변태
다양한 종류의 상변태는 재료 가공에 있어서, 특히 미세 구조의 변화가 있는 가공에 있어서 중요하다. 이러한 논의를 위하여 변태를 3가지로 분류하였다. 첫 번째는 상의 수나 조성이 변하지 않고 단순히 확산에 의해 생기는 변태이다. 순수 금속의 응고, 동소변태, 재결정화 및 결정립 성장 등이 여기에 포함된다.
확산이 수반되는 또 다른 종류의 변태에서는 상의 조성과 수의 변화가 있다 이런 경우, 최종 미세구조에는 두 상이 존재한다. 공석반응(Eutectoid reaction)이 여기에 속한다.
세 번째는 무확산(diffusionless) 변태이며, 그 곳에서 준안전상이 만들어진다. 합금강의 마텐자이트 변태가 이 범주에 속한다.
상변태 속도론
상변태에 따라, 일반적으로 근원상과 물리적/화학적 특성이나 구조가 다른 새로운 상이 적어도 하나는 형성된다. 또한 대부분의 상변태는 순간적으로 일어나지 않는다. 상변태는 새로운 상(들)의 수많은 조그만 입자들의 형성으로 시작하며, 변태가 종료될 때까지 크기가 증가한다. 상변태 과정은 크게 핵생성(nucleation)과 성장(growth)의 두 단계로 나눌 수 있다.
핵생성 단계에서는 매우 작은 입자들이 나타나며, 이러한 새로운 상의 핵들(단지 수백 개의 원자로 구성된)이 계속 성장할 수 있게 된다. 성장 단계에서 이러한 핵들의 크기가 증가함에 따라 근원상은 전체적으로 또는 부분적으로 소멸하게 되고, 이러한 새로운 상이 평형 분률에 이르게 되면 변태는 종료된다.
핵생성
핵생성에는 균일(homogeneous) 핵생성과 뷸균일(heterogeneous) 핵생성의 두 가지 형태가 있다. 이 두 형태의 차이는 핵생성이 발생하는 위치에서 비롯된다. 균일 핵생성은 새로운 상이 핵들이 근원상 전체에 걸쳐 균일하게 형성되지만, 불균일 핵생성은 새로운 상의 핵들이 용기벽이나 불용성 불순물, 결정립계, 전위 등과 같은 구조적 불균일 지역에서 먼저 형성된다.
균일 핵생성
핵생성 이론에는 열역학적 매개변수인 자유에너지(Gibbs free energy) G가 관련 있다. 요약하자면, 자유에너지는 계의 내부 에너지와 원자들이나 분자들의 무질서의 척도(엔트로피)의 함수이다. 간단하게, 먼저 순수 재료의 응고를 생각해보자. 고상에서 원자들이 차곡차곡 쌓이듯, 액체 내에서 원자들이 서로 뭉쳐 고상의 핵들을 형성하며, 각각의 핵은 반지름이 r인 공 모양으로 가정한다.
응고 변태에 관련된 총 자유에너지의 변화는 두 가지로 나누어 볼 수 있다. 첫째는 고상과 액상의 자유에너지 차이, 즉 부피 자유에너지이다. 이 값은 온도가 평형 응고 온도 아래이면 음수가 되며, 그 양은 공모양 핵의 부피를 곱한 값이다. 두 번째는 응고 변태 과정에서의 고상-액상 상경계 형성에 따른 자유에너지 변화이다.
(출처) 시그마 프레스 재료과학과 공학 제7판
