미세조직(microstructure)과 기계적 성질 사이에는 밀접한 관계가 있으며, 합금의 미세 조직은 그 합금의 상태도 특성에 관련되므로 합금계의 상태도를 이해하는 것은 매우 중요하다. 또한 상태도로부터 용해, 주조, 정출 및 다른 현상에 대한 유용한 정보를 얻을 수 있다.
상태도에 대한 설명과 사용법에 대하여 설명하기 전에 합금, 상, 평형 등에 관한 정의 및 기본 개념을 수립하는 것이 필요하다. 성분(component)이란 합금을 구정하는 순금속이나 화합물을 뜻한다. 예를 들면 황동(구리-아연)의 성분은 구리와 아연이다. 계(system)는 두 가지 의미를 가지고 있다. 그 하나는 고려 대상인 물질의 집합체를 '계'라고 하며, 또 하나는 합금의 조성에 관계없이 같은 성분으로 구성할 수 있는 모든 합금 계열을 계라고 한다.
고용체는 적어도 다른 두 가지 원자로 구성되어 있다. 용질 원자는 침입형 또는 치환형으로 용매의 격자를 점유하는데, 이때 용매의 결정 구조는 변하지 않는다.
용해 한도
고용체 형상에 있어 용매에 용해되는 용질의 원자의 최대 농도는 온도에 따라 정해져 있으며, 이를 가리켜 용해한도라고 한다. 용해 한도 이상으로 용질을 첨가하면, 전혀 다른 조성을 갖는 별개의 고용체나 화합물이 형성된다. 설탕-물 계를 예를 들어보자. 설탕을 물에 첨가하기 시작하면, 먼저 설탕물이 된다. 설탕의 양이 증가하면 용액은 점점 진해지고 용해 한도에 이르면, 용액은 설탕으로 포화가 된다. 이 상태가 되면, 설탕은 더 이상 녹지 않고 용기 바닥에 가라앉는다. 그러므로 계는 두 개의 서로 다른 물질(설탕-설탕물 용액과 녹지 않는 고형 설탕)로 구성된다.
물에 녹는 설탕의 용해 한도는 물의 온도에 따라 변하며, 조성축에서 설탕의 농도는 왼쪽으로 오른쪽으로 증가하며 물의 함량은 오른쪽에서 왼쪽으로 증가한다. 단지 두 성분(설탕물)으로 구성되므로, 어느 조성에서든지 농도의 합은 100wt% 이다. 용해 한도선을 중심으로 왼편에는 설탕물이 존재하며, 오른편에는 설탕물과 고형 설탕이 같이 존재한다. 임의의 온도에서의 용해 한도는 포화 용해도 선과 온도 좌표가 교차하는 점의 조성이다.
용해 한도는 온도가 증가함에 따라 조금씩 증가한다.
상(phase)
상은 상태도를 이해하는데 있어서 매우 중요한 개념이다. 상은 물리적, 화학적 특성이 균일한 계의 균질한 부분으로 정의할 수 있다. 모든 순수한 물질과 모든 용액(고용체, 액체 및 기체)도 상으로 볼 수 있다. 예를 들면, 설탕물은 하나의 상이며, 고형 설탕도 또 하나의 상이다. 각각은 서로 다른 물리적 성질(하나는 액체, 다른 하나는 고체)을 가지며, 화학적으로 서로 다르다.(화학 조성이 서로 다름). 또한 하나는 순수한 설탕이고, 다른 하나는 물과 설탕의 용액이다. 주어진 계에 하나 이상의 상이 존재하면, 각각의 상은 각기 고유의 성질을 갖게 된다. 그러므로 상들의 경계에서는 물리적 및 화학적 성질이 불연속적으로 급변한다.
하나의 계가 두 개의 상으로 되어 있는 경우에는 물리적 성질과 화학적 성질이 모두 다르지 않아도 된다. 즉, 하나는 액체이고 다른 하나는 고체이므로 물리적 성질은 서로 같지 않지만, 화학 성분은 서로 동일하다. 또한 하나의 물질이 두 가지 이상의 폴리머 형태로 존재할 수 있으며, 각각의 구조는 물리적 특성이 서로 다르므로 별개의 상이 된다.
하나의 상으로 구성된 계를 균질(homogeneous)하다고 하고, 두 개 이상의 상으로 구성된 계는 혼합물(mixture) 또는 비균질계(heterogeneous system)라고 한다. 대부분의 금속, 합금, 세라믹, 폴리머와 복잡 재료계는 비균질계이다. 다상계의 성질은 개별 상과 다르며 상들의 상호작용으로 더 좋은 성질을 나타낸다.
(출처) 시그마 프레스 재료과학과 공학 제7판
