1. 상태 변화（狀態 變化）
우리들이 사용하고 있는 금속 제품들은 모두고체로 되어있으며, '고체 상태의 어떤 성질'을 응용하여 우리들에게 유용한 물건을 만들게 됩니다. 이와 같이 좋은 상품을 만들기 위해서는 '고체 속에서 일어나는 상태의 변화'를 아는 것이 매우 중요합니다.
이 세상에 있는 모든 물질의 '상태 변화'에 가장 큰 영향을 주는 것은 무엇일까?
그것은 바로 온도와 압력입니다.
즉 일반적으로 금속을 포함하여 이 세상의 모든 물질의상태는 온도와 압력에 따라 변하게 됩니다. 예를 들어 물의 경우를 생각해 보겠습니다.
온도와 압력이 변함에 따라 물의 상태가 변하는 현상을 나타내는 물의 상태도（狀態圖，phasediagram)라고 합니다. 얼음(고체) 상태의 구역,물(액체) 상태의 구역,수증기(기체) 상태의 구역으로 나뉘어있습니다. 그리고 a-b 선은 얼음 수증기로 변하는 선이고, a-c 선은 얼음물로, a-d 선은 물 수증기로 변하는 선 입니다. 이 상태도에서 다음과 같은 사실을 알 수 있을 것 입니다.
i ) 온도에 따라 상태（狀態）가 변한다
우리들은 살고 있는 대기압의 압력은 1 기압이므로, 우리들은 1 기압 속에서 살고 있습니다. 1 기압의 물을 가열하면 열음(고체) 상태→물(액체)의 상태→수증기(기체) 상태로 변하게 됩니다. 반대로 냉각하면 수증기 상태→물의상태→얼음 상태로 변하게 됩니다.
이와 같이 모든 물체는 온도에 따라 고체 상태→액체상태→기체 상태로 변하게 됩니다. 그러므로 모든 물체는 온도가 변하면 상태가 변한다는 사실을 알 수 있을 것입니다.
ii) 압력에 따라 상태가 변한다
높은 산에 올라가서 밥을 할 때 물이끓을정도로 충분히 불을 때었지만, 쌀이 제대로 익지 않아서 밥이되지 않는 경우가있습니다. 그 이유는 높은 산의 압력이 1 기압보다 낮으므로, 아무리 많이 가열하여도 모든 물이 100℃이하의 온도에서 수증기로 증발하기 때문입니다
이와는 반대되는 경우로써 압력솥의 경우를 생각해보겠습니다. 압력솥 속은 1 기압보다 높기 때문에 100℃보다 높은 온도에서 물이 수증기로 변하게 됩니다. 그러므로 압력솥에서는 밥이 빨리 됩니다.
이와 같이 압력도 물질의 상태 변화에 영향을 미친다는 것을 알 수 있습니다.
물질의 상태는 온도와 압력에 따라 변하므로, 물질의 상태 변화를 이해하려면 온도와 압력을 반드시 표시하여야 한다.
그러나 고체 상태(얼음)에서 액체 상태(물)로변할 때는 압력이많이 증가하여도 온도가 매우 조금 변하였습니다. 그러므로 액체 상태→고체 상태로 변할 때는 물질의 상태는 압력에 따라거의 변하지 않고,오로지 온도에 따라 변하게 됩니다.
뿐만 아니라 우리들은압력이 거의 일정한 대기압(1 기압)아래에서 생활하고 있기 때문에 '물질의 상태 변화'는 온도가 변할 때만 변한다고 생각하여도 큰문제가 생기지 않는다고 볼 수 있습니다.
물의상태도는 위에서 설명한 것처럼 대기압(1 기압) 상태에 있을때 물은 0℃에서 얼음의상태→물의 상태로 변하고, 100℃에서 물의 상태→수증기의상태로 변하게 됩니다.
그러므로 대기압 아래에서 물의 상태도는 1 기압 이외의 압력 부분을 생략하고 온도의 축（軸）만으로 표현하는 것이 편리하겠습니다.
2. 성분계 상태도（成分系 狀態圖）
순금속（純金屬，pure metal）처럼 한 종류의 순수한 금속을 1 성분계（1 成分系）라고 합니다． 2 종류의 순금속을 혼합하여 만든 합금을 2 성분계합금（2 成分系 合金，binary alloy），또는 2 원계 합금（2元系·合金）이라고 하고 3 종류의 금속을 섞어서 만든 합금을 3 성분계 합금（3 成分系 合金，ternary alloy），또는 3원계 합금（3 元系 合金）이라고 합니다. 4 성분계, 5 성분계 합금도 많이 있으나, 상태도 그림이 매우 복잡해지기 때문에 대부분 생략합니다.
1) 순 철의 동소변태（同素變態）
1 성분계란 순금속을 말합니다. 순금속 중에서도 앞으로 가장 많이 다룰 순철（純鐵，Fe）의 1 성분계 상태도를 조사하여 보겠습니다.
압력이 일정할 때, 즉 대기압 아래에서 순철의 상태도는 물의 경우처럼 온도가 높아짐에 따라 고체 상태→액체 상태→기체 상태로 상태（狀態）가 변하게 됩니다. 그러므로 순철의 상태도도 물의 경우처럼 하나의 직선으로 간단하게 나타낼 수 있습니다.
그러나 순철의 상태도가 물의 상태도와 크게 다른 점은 고체 상태에서도 온도에 따라 3 종류의 상태가 존재한다는 점입니다. 다시 말하면 얼음의 경우에는 온도를 0℃ 이하로 계속 낮추어도 동일한 원자 구조의 얼음만 항상 존재하였습니다. 그러나 순철의 경우에는 고체상태에서 온도에 따라 결정구조가 다른철（鐵，Fe）이 생기게 됩니다.
온도에 따라 순철의 결정 구조가 변하는 현상
① 912℃ 이하 :
우리들의 주위에 있는 대부분의 철, 정확하게 말해서 912℃ 이하의 철은 원자들이 체심 입방 격자(BCC) 구조를 이루면서 배열되어있습니다. 이 상태의 철을 'α철' 이라고 합니다.
② 912℃~1394℃ :
α철을 가열하면 912℃에서 원자들이 쌓여 있는 방법이 변하게 됩니다. 즉 체심 입방 격자(BCC)로 배열되어 있던 원자들이 912℃에서 면심입방 격자(FCC)의 형태로 바뀌게 되는데 이 상태의 철을'y' 철이라고 합니다.
③ 1394℃~1534℃(용융 온도) :
면심 입방 격자(FCC)의 'r' 철을 계속 가열하면 1394℃에서 다시 체심 입방 격자(BCC)로 바뀌게 됩니다. 이 상태의 철을 '8' 철이라고 하며, 순철이 용해되는 온도(1534℃)까지 이 상태로 계속 존재하게 됩니다.
이와 같이 고체상태의 순철은 온도에 따라서 a철,r철,8철로변하며, 이 a철,r철, δ철을 철의 동소체（同素體，allotrope）라고 합니다.
그리고 가열함에 따라 a철의 상태에서 r철의 상태로, 또 r철의상태에서 8 철의 상태로변하게 됩니다(냉각할 때는 8철→r철→a철).
이와 같이 상태가 변하는 현상을 ＇변태（變態，transformation)'한다고 하며, 변태가 일어나는 온도를 변태 온도（變態溫度）라고 합니다. 그리고 온도에 따라 a철→y철＜→8철로 변태 하는 것을동소 변태（同素 變態，allotropic transformation）라고 합니다.
2) 동소변태가 일어나는 이유
온도에 따라 철 원자들이 배열하는 방법이 변하는 현상, 즉 동소 변태가 일어나는 이유를 생각해 보겠습니다.
철강 재료에서 γ철→8 철로 변하는 동소 변태는 거의 응용되지 않지만, α철→y철의 동소 변태는 매우 중요합니다. 그러므로 α철→γ철로 동소변태 하는 이유에대해 알아보겠습니다.
금속 원자의 핵을 돌고 있는 전자들은 가장 바깥 궤도를 도는 자유 전자의 구름과 그안쪽 궤도를 도는 전자들로 되어 있습니다.
r철은 자유 전자구름의 작용으로 금속 결합한 구조입니다. 그러므로 원자와 원자들이 가능한 한 가까이 잡아당기고 있는 상태이므로 원자와 원자 사이가 좁아지게 됩니다. 그러므로 모든 원자들이 가장 조밀하게 배열（配列）되기 때문에 원자충진율이 가장 높은면심 입방 격자(FCC)가 됩니다. 이런 결정 구조(FCC)가 변태 온도 이하로 온도가 낮아지면 체심 입방 격자(BCC)로 바뀌는 이유는 무엇일까요?
온도가 912℃(변태온도) 이하로 낮아지면 0과 가까워져서 자유 전자의 구름 안쪽궤도를 돌고전자들의 영향력이 강해지게 됩니다. 이안쪽의 전자들은 특정 한 방향에있는 원자하고 결합하려고 하므로 결국 결합하게 됩니다. 이와 같이 원자들이 특정한방향으로 배열되므로, 원자와원자들의 사이가 넓어져서 원자 충진율이 작은 체심입방 격자(BCC), 즉 α철로 되는 것입니다.다.
반대로 α철을 가열하면 가열할수록 원자들이 격렬하게 진동하여원자들의 사이가멀어지게 됩니다. 이렇게 되면 자유 전자 안쪽을 돌고 있던 원자들의 영향이 없어지게 되고 특정한 방향으로 연결되었던 결합이 떨어지고 전자구름에 의해서만원자들이 다시 결합하게 됩니다. 즉a철에서 r철로 변태 하는 것입니다.
지금까지 설명한 것처럼 동소 변태가 일어나는 이유는 금속 원자들을 결합하고 있는 전자의 분포 상태가 온도에 따라 변하기 때문입니다.
3) 동소 변태가 일어나는 과정
면심 입방 격자(FCC) 구조인 r철을 냉각하여 912℃에서 체심 입방 격자(BCC)로 동소변태 하였을 때
i) 매우 천천히 냉각하는 경우
ii) 급속히 냉각하는 경우
어떤 변화가 일어나는지 비교해 보도록 하겠습니다.
i) 매우 천천히 냉각하는 경우
r철을 매우 천천히 냉각하여 변태은도인 912℃에 도달하면, γ철 원자 중에서 열을 방출하고 냉각된 a철 원자가 생기기 시작합니다. 마치 0℃의물이 얼음으로 변할 때 물분자 중에서 에너지를 방출하고 얼음 분자가 생기는 것과 같은 현상입니다
이와 같이 냉각된 α철의 원자가 공공（空孔）의 도움을 받아서 옆으로 이동하여 가게 되는데 이 α 칠의 원자들이 서로 만나서 새로운 결정 핵（核）이 형성되게 됩니다. 시간이 지남에 따라 이 핵이 점점 성장하면서 γ철의 결정 구조가 α철의 체심 입방 격자(BCC)의 결정으로 조금씩바뀌어지게 됩니다.
이와 같이 r철이 a철로 동소변태 하는 과정에서가장 중요한 점은 원자들이 확산하면서 이동한다는 점 입니다. 다시 말하면 원자들이 확산하며 동소변태하기 때문에 동소 변태가 완료될 때까지는 “매우 긴시간'이 필요합니다.
ii) 급속히 냉각하는 경우(마르텐사이트 변태)
만약 γ철을 확산이 일어날 수 없을 정도의 낮은 온도로 급속히 냉각하면 어떻게 될까요?
예를 들면 빨갛게 가열된 r철을 물에 넣어서 급속히 냉각하면 원자들이확산하여 이동할 시간이 없기 때문에 변태가변태가 일어날 수가 없습니다. 그러므로 r철의 결정 구조가 그대로저온（低溫）까지 냉각됩니다.
무리하게 강제로 이루어진 상태이므로 매우 불안정하게 됩니다. 이렇게 불안정한 상태이지만 열 에너지가 없으므로 원자들이 안정한 상태로확산(이동) 하지 못하고있고 오로지 전자들의 분포상태만 변하여 원자들이 결합하고 있는 방향만 순간적으로 변하게 됩니다. 그러므로 a 상태의 원자들이 저온에서 안정한 체심 입방 격자인 α철(BCC)로 변하게 됩니다.
이와 같은 변화는 수 100분의 1초 이하의 극히 짧은 순간에 일어나므로, 아무리 빨리 냉각하여도 이 변화를 완전히 억제하기가 대단히 어렵습니다. 이와 같은 변태를 마르텐사이트 변태(martensite transformation)라고 합니다.
마르텐사이트 조직은 고온에서 급랭（急冷）하여 무리하게 변태한 것입니다. 그러므로 결정 구조가 심하게 왜곡（歪曲）되어 있기 때문에 소성 변형되지 않고 매우 딱딱한 성질을 가지고 있습니다.
마르텐사이트(martensite) 조직은 열처리할 때 자주나오는 중요한 조직이므로 생성 과정과 성질을 잘 이해하기를 바랍니다. 또한 '고은 상태에서 안정한 물질을 급랭하여 변태를 저지하면 고온 상태가 그대로 상온에서도 존재할 수 있다는 점도 중요하겠습니다.