소재공학기초실험 | 냉각 곡선에 의한 상평형도 작성

 

 

 

TIP

 

 

Pb-Sn 합금의 융점(Melting point)를 측정하여 합금의 냉각곡선과 그 합금계의 상평형도를 작성하는 것이다.

 

 

 

액체상태에 있는 순금속의 원자들은 약한 인력으로 상호 결합되어 있으며 또 불규칙하게 배열되어 있다. 원자들은 운동을 할 수 있고 액체금속은 용기의 형상에 따라 쉽게 흘러 들어갈 수 있으며 연결이나 응집은 할 수 없다. 순금속이 액상으로부터 고상으로 냉각될 때에 응고점이라 불리는 일정온도에서 상태의 변화가 일어나며, 이 과정을 응고(solidification)라 부른다. 냉각 과정 중에 여러 시간에 있어서의 금속의 온도를 기록해 보면 그림1에 보인 바와 같은 냉각곡선이 얻어진다. 이 그림은 응고점에 있어서의 금속의 온도는 응고가 진행되는 동안 일정하다는 것을 나타내고 있다.

 

외부로부터 금속에 열을 가하지 않아도 일정온도로 유지되기 위해서는 금속으로부터 열이 방출되어야만 한다. 상태에 변화를 일으키는 동안에 방출(혹은 흡수)되는 열을 잠열(latent heat)이라 부른다. 그러나 금속이 냉각될 때에 고체상태는 액체상태에서 보다 낮은 에너지 준위(level)에 있고, 그 원자들은 가능한 한 운동과 유도에 대하여 보다 작은 에너지를 갖는다. 응고 중에 원자들은 어떤 규칙에 따라 질서 정연하게 배열한다.

 

원자들 상호간에 결합하는 강한 결합력으로 형성되는 이 규칙성으로부터 고체금속에 강도가 생기게 된다. 그림1과 같은 냉각곡선을 얻기 위해서는 금속을 냉각 중에 평형조건에 가깝게 유지, 즉 대단히 서서히 냉각하여야만 한다. 실제에 있어서는 액상으로부터 고상으로 변화할 때에 약간의 과냉이 수반되는데, 이것은 고체를 형성하기 위한 핵생성에 필요한 것이다. 냉각속도가 빠르면 과냉은 그림2에 보인 바와 같이 더욱 뚜렷하게 될 것이다.

 

 

액체 금속의 온도가 응고점 이하로 떨어졌다가 응고가 시작될 때에 다시 상승한다. 실제의 응고온도에서 온도가 상승하는 것은 나중 온도가 고상과 액상이 공존할 수 있는 유일한 온도이기 때문이다. 온도상승(재열: recalescence)은 흡수되었던 잠열이 방출하기 때문이다.

 

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실험 방법

1. 실험 과정

1) 각 시편들을 용융 온도보다 약 70℃이상의 온도까지 가열한다.

 

2) Chromel-Alumel 열전대를 보호관을 씌워 용융 금속 중에 담근다.

 

3) 냉각속도가 5℃/min이 되도록 온도를 조절한다.

 

4) 용융시편의 온도구배를 감소시키고 화학적 균질성을 개선시키기 위해 교반 막대를 이용하여 용융 금속을 저어준다.

 

5) 10초마다 온도를 읽어 기록하거나 자동기록계를 이용한다.

 

6) 본 실험을 위한 열분석 장치의 개요를 그림에 표시한다.

 

 

 

 

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