냉각 곡선에 의한 상평형도 작성 : Pb-Sn 합금의 융점(Melting point)를 측정하여 합금의 냉각곡선과 그 합금계의 상평형도를 작성한다

소개글

냉각 곡선에 의한 상평형도 작성 : Pb-Sn 합금의 융점(Melting point)를 측정하여 합금의 냉각곡선과 그 합금계의 상평형도를 작성한다에 대한 보고서 자료입니다.

목차

【실험목적】
【실험장치】
【실험재료】
【관련이론】
【실험방법】
【결과의 검토】
【참고자료】

본문내용

죽 만일 Tm-To=δ라 하면,
dQ=Aδdt
가 된다. 열량 dQ는 동시에 융액에서 방출되는 열량 -CMdt와 같다. 여기서 C와 M은 각각 융액의 비열과 질량이 된다. 따라서
-CMdt=Aδdt
또는 -dδ/dt=Aδ/CM
윗 식을 적분하면 냉각곡선과 수학적인 형식 소위 뉴튼의 식을 얻는다.
δ=δoexp{-(A/CM)t}
이와 같은 식이 나타내는 냉각곡선은 그림1.3 (a)의 곡선과 같으며, 만일 상온으로 냉각도중 어떠한 상의 변화도 나타나지 않는다면 어느 용융상의 금속은 그림.1.3 (a)와 같은 냉각곡선을 보여 줄 것이다.
그림 1.3. 냉각곡선
(a) 변태가 없을 때
(b) 응고변태가 있을 때의 이상적인 곡선
그런데 어느 용융금속이 조사된 온도 범위내에서 응고점 Ts를 갖는다면 그 온도는 일반적으로 Ts에 도달될 때까지는 뉴튼의 냉각곡선을 따라 냉각될 것이며 이것이 응고될 때는 일정한 온도 Ts에서 응고열을 방출하게 되므로 상변태가 일어나는 동안에는 온도는 떨어지지 않고 정지상태에 있게 된다. 이것은 Gibbs의 상률에 의하면(P＋F=C＋1) 일정한 압력하에서 어느 단일성분계가 액상과 고상으로 공존하는 평형상태에서는 자유도가 없기 때문이다. 이제 완전히 응고가 이루어진 다음에는 다시 정지되었던 냉각곡선은 그림1.3(b)와 같은 모양이 된다. 위의 곡선에서 정지점에서의 정지시간 t는 응고되는 용액의 양과 응고열에 비례한다.
그런데, 실제 실험에서의 그림1.3(b)와 같은 이상적인 냉각곡선은 여러 가지로 얻기 어려워 조금씩 다른 Curve가 나타나게 된다. 이와 같은 예가 그림1.4에 나타나 있으며 이를 설명하면 다음과 같다.
A 상태
융액을 마지막 응고까지 균일한 온도분포를 갖도록 교반할 수 없는 경우에는 응고가 완전히 끝나지 않았더라도 응고된 일부분에서는 이미 계속 냉각이 되어져 냉각곡선은 냉각 최종단계에서 뚜렷한 꺽임점을 보여주지 않게 된다.
그림 1.4. 냉각곡선 중 나타나는 여러 가지 변태점의 형태
B 상태
열전대선과 보호관은 일정한 두께를 갖고 있어 이에 따라 특정의 열용량을 갖는다. 이에 따라 이들은 융액보다 항상 어느 정도 높은 온도를 갖게 되어 열전대는 아직도 응고점 이상을 가리키는데도 응고가 시작된다. 따라서 응고의 시작은 냉각곡선상에서 뚜렷한 꺽임점을 보여주지 않는다.
C 상태
융액의 질량에 비하여 두꺼운 보호관과 열전대를 사용할 뿐만 아니라 냉각속도를 대단히 크게 하면 이와 같은 냉각곡선이 나타난다. 이런 경우는 정확한 정지점을 결정하지 못하므로 융액의 양을 많게 하고 냉각속도를 낮추어야 한다.
D 상태
노나 도가니를 담은 용기가 용액이 응고하는 중에 그 온도가 강하됨으로써 응고가 끝난 직후 온도의 응고전에 비하여 급하게 떨어지는 경우이다.
E 상태
응고중에 과냉각이 나타날 때의 냉각곡선이다.
그림 1.5. 상태도에 따라 결정되는 냉각곡선의 기본형태
냉각곡선의 이용은 다원계에서는 부정확하나 단일성분계와 2성분계에서는 매우 유효하다. 본실험에서 Cd-Zn공정형 반응을 포함한 합금에 대하여 실험하므로 2원계 공정형 합금의 상태도와 냉각곡선의 한계에 대해서 알아보기로 한다.
그림1.5에서 조성 k의 합금을 고온상태에서 냉각하면, 그것이 AE곡선과 만나는 점에서 순 M즉 그림에서 S상태의 고상이 정출한다. 여기에서 응고잠열이 방출되므로 우측의 냉각곡선에 굴곡이 생긴다. 이와 같이 k의 액체상태에서 순 M이 정출하므로, 잔액의 조성은 k보다 우측으로 이동한다. 그 조성을 k′라 하면, 그 응고점은 저하하여 a′가 된다. 이와 같이 M의 정출, 액상조성변화 , 온도강하가 동시에 일어나면서 액상의 상태는 AE곡선상을 따라 공정점까지 이동하여 앞에서 설명한 일정온도에서 시간이 경과하게 되는 현상이 일어나게 된다. 이 과정이 끝나면 다시 뉴튼의 식에 따르는 냉각곡선으로 되는데 그림1.6에는 여러 조성의 공정형 합금의 열분석 곡선을 나타내었다.
그림 1.6. 여러 조성합금의 열분석 곡선
【실험방법】
1. 표4.1에 표시된 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.
표 1.1 시료조성(wt%)
시 편 N0.
Pb%
Sn%
1
100
0
2
90
10
3
82.6
17.4
4
60
40
5
20
80
6
0
100
6. 본 실험을 위한 열분석 장치의 개요를 그림1.7에 표시한다.
X-Y Recorder
그림 1.7. 열분석 장치
【결과의 검토】
1. 실험에서 구한 여러 조성의 Cd-Zn합금의 냉각곡선으로부터 상태도를 구성하 고 참고문헌의 자료와 일치하는지 비교하여라(단, 고용체 구역은 제외)
2. 실험상에서 얻은 냉각곡선들에서 보여준 표준냉각곡선과의 차이점들의 원인 을 규명해 보라.
3. Pb-Sn계와 같은 형태의 상평형도를 보여줄 합금계를 말하라.
4. 여러가지 열전대의 종류를 들고 그 특성과 온도 측정범위에서 대해 기술하여라.
5. Lever rule과 Tie line 원리에 대해 설명하라.
6. 평형상태도는 열분석시험, 현미경조직검사의 방법에 의해 주로 그려지지만 이외에 X-선 회절시험, 선팽창시험, 전기전도도 측정방법 뿐만 아니라 자기 적 방법도 있다. 이들의 특징과 이론에 대해 각각 비교 설명하여라.
7. 합금으로 되면 융점이 낮아지는 이유를 설명하라.
【참고자료】
1. G. Wasserman: Praktikum der Metallkunde und Werkstoffprufuug,
Springer Verlag, Belin 1965, 91～96.
2. M. Hansen: Constitution of Binary Alloys, McGraw-Hill 1958,
New York.
3. Th. Heumann: Anleitung zum Matallkunde Parktikum, Univ. Munster,
1973, 11～15.

키워드

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