[논문]용접부 미세조직의 재질열화 평가를 위한 Advanced Small Punch 시험에 관한 연구

이동환; 이송인; 박종진; 유효선

문제 정의

본 연구에서는 발전설비용 내열강재의 신재와 시효재를 대상으로 기존의 소형펀치 (conventional small punch:CSP)시험을 개선한 advanced small punch (ASP)시험을 도입하여 용접부 미세조직들의 고유한 재질열화 평가 가능성을 조사하였다. 다양한 용접조직에 대하여 ASP 시험에서 얻어진 결과들은 CSP 및 CVN 충격시험 결과들과 비교되어 그 신뢰성과 유용성이 검토되었다.
X20CrMoV121 강의 신재와 시효재를 대상으로 advanced small punch(ASP) 시험을 도입하여 용접 부의 다양한 미세조직들에 대한 재질열화의 평가 가능성을 검토하고 다음의 결론을 얻었다.
본 연구에서는 우선적으로 ASP 시험기법의 용접부 미세조직에의 적용 가능성에 초점을 맞추어 조직적인 측면에서 용접부의 열화거동을 살펴보았으며, 용접부의 재질열화 평가에 대한 ASP 시험의 적용 가능성을 확인하였다. 향후 탄화물 생성과 불순물의 편석 거동.

제안 방법

시험대상조직의 재질열화 거동을 조사하기 위하여 등온도화 열처리가 수행되었다. 이때 모의 열화시간은 부재의 사용온도와 재료의 뜨임온도를 고려하고 철의 자기확산에 필요한 활성화에너지에 근거하여 결정되었으며9), Table 5에 모의 열처리시간과 등온노화 열처리 시간을 수록하였다.
용접부 미세조직에의 적용을 위해 ASP 시험 지그의 하부다이에 가공된 변형유도구멍, DGH (deformation guide hole)의 크기와 시험편 두께가 시험결과에 미치는 영향을 고려하여 최적의 지그 형상이 결정되었다.10) SP 시험 지그의 개략도를 Fig.
SP 시험 중 "변위 거동을 측정하고 그 곡선 아래의 면적으로 SP 에너지, E아, (CSP 및 ASP 시험에 대하여 각각 E(-sp. Easp)를 구하였으며, T96℃~상온 (RT)까지의 다양한 온도범위에서 얻어진 각 조직별 Esp의 온도의존곡선으로부터 연성-취성 천이온도(ductile- brittle transition temp. : DBTT)를 구하였다. 이 때 DBTT는 Esp의 상 .
SP 시험에 대한 기타 자세한 방법과 절차는 이전에 보고된 연구결과들7-8)에 준하였다. 또한 정성적 비교를 통한 SP시험결과의 신뢰성 확보를 위해 CVN충격시험을 수행하였다. 용량 357.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 재료는 X20CrMoV121 강으로서 그 화학 조성과 상온에서의 기계적 특성을 Table 1, 2에 나타내었다. 실제 발전 설비에 적용되는 용접절차와 조건이 적용되었으며, 이들 조건들을 Table 3, 4에 각각 수록하였다.
X20CrMoV121강 용접부 weld toe 부근의 단면사진을 Fig. 1에 나타내었다. 각 용접조직들은 F.
용접 부의 블록으로부터 10mm X10mm x 0.5 mm1 크기의 SP 시험편을 제작하였으며, 그 채취위치는 ① F.L + CGHAZ, ② FGHAZ, ③ ICHAZ, ④ W.M, ⑤ B.M 조직으로 하였다.
또한 정성적 비교를 통한 SP시험결과의 신뢰성 확보를 위해 CVN충격시험을 수행하였다. 용량 357.9J의 Tinius olsen사의 충격시험기를 이용하였고, 시험편은 ASTM E 23-93a에 의거한 subsize (2.5mmX 10mmx55mm)로서 노치 반경은 0.25mm, 깊이는 2mm, 노치부 각도는 45°로 제작하였다. CVN 충격시험 은 구성조직의 영역이 극히 제한적인 용접부의 특성을 고려하여 B.
25mm, 깊이는 2mm, 노치부 각도는 45°로 제작하였다. CVN 충격시험 은 구성조직의 영역이 극히 제한적인 용접부의 특성을 고려하여 B.M과 W.M 조직만을 대상으로 수행하였다.

성능/효과

본 연구에서는 발전설비용 내열강재의 신재와 시효재를 대상으로 기존의 소형펀치 (conventional small punch:CSP)시험을 개선한 advanced small punch (ASP)시험을 도입하여 용접부 미세조직들의 고유한 재질열화 평가 가능성을 조사하였다. 다양한 용접조직에 대하여 ASP 시험에서 얻어진 결과들은 CSP 및 CVN 충격시험 결과들과 비교되어 그 신뢰성과 유용성이 검토되었다.
4와 같다. 신재 용접부에서 F.L 에 인접한 CGHZ와 W.M부는 약 300-330 정도를 보여 B.M보다 매우 높은 경도 분포를 보였다. 특히 용접 시 Aci과 Acs 사이의 온도 영역을 경험하는 ICHAZ부에서 경도값이 B.
또한 거의 모든 시험 온도에서 Esp가 가장 높으며 DBTT가 약 T 64 ℃로서 최저온측에 위치하고 있다. 따라서 CVN 시험에서 FATT에 의한 상대적인 인성평가 개념을 SP 시험에 동일 적용할 때, FGHAZ 조직이 상대적으로 인성이 가장 우수함을 알 수 있다. 그러나 W.
M과 비교하여 상대적인 인성 저하를 확인할 수 있다. 여기서 온도에 따른 Esp의 상, 하부값이 모든 조직에서 명확하여 ASP 시험에서도 Esp의 온도 의존성을 확인할 수 있으며, CSP 시험에서와 거의 동일한 온도범위에서 연-취성 거동이 발생함을 볼 수 있다. 이는 이전의 많은 연구들4 6)에서 확인된 바와 같이 CVN 충격시험법과 비교하여 에너지의 상부값으로부터 하부값으로 변화하는 곡선의 구배가 커서 연-취성 천이거동이 더 좁은 온도범위에서 발생하므로 보다 정확한 DBTT의 평가가 가능함을 의미한다.
먼저 ASP 시험에서, F.L+CGHAZ 조직을 제외하고 시효시간에 따른 모든 조직들의 열화거동은 CVN 충격시험결과와 거의 유사하나, B.M과 W.M의 경우, 6000hrs재에서 신재에 비해 재질열화도가 증가하는 경향을 볼 수 있다. 또한 F.
M의 경우, 6000hrs재에서 신재에 비해 재질열화도가 증가하는 경향을 볼 수 있다. 또한 F.L+ CGHAZ 조직은 시효시간의 증가에 따라 열화도가 점차 증가하였으나, B.M, ICHAZ, W.M 조직들은 2000hrs 조건에서 오히려 신재에 비해 열화도가 저하된 후 6000hrs에서는 열화도 가 증가되는 거동을 보이고 있다. 특히 ICHAZ조직에서 열화도의 증가가 현저함을 볼 수 있다.
1) ASP 시험에서 Esp의 천이거동은 용접부의 미세 조직에 대하여 명확한 의존성을 보였다.
2) F.L+CGHAZ 조직은 시효시간의 증가에 따라 재질열화도가 점차 증가하였으나, B.M, ICHAZ, 그리고 W.M 조직은 566℃/100,000hrs에 해당하는 2000 hrs 시효조건에서 신재에 비하여 열화도가 저하된 후 56 6℃/300, 000hrs에 해당하는 6000hrs 조건에서 현저한 열화거동을 보였다. 그러나 FGHAZ 조직은 시효시간의 증가에도 열화도의 증가는 나타나지 않았으며, 용접부의 미세조직 중 가장 우수한 인성을 보였다.
M 조직은 566℃/100,000hrs에 해당하는 2000 hrs 시효조건에서 신재에 비하여 열화도가 저하된 후 56 6℃/300, 000hrs에 해당하는 6000hrs 조건에서 현저한 열화거동을 보였다. 그러나 FGHAZ 조직은 시효시간의 증가에도 열화도의 증가는 나타나지 않았으며, 용접부의 미세조직 중 가장 우수한 인성을 보였다.

후속연구

4mm 크기의 부하강구가 사용되고 있으나, 만일 강구에 의한 변형영역이 각 HAZ 조직들의 구성영역을 초과하게 되면 SP 시험에 의한 용접조직의 고유한 물성 평가에 한계가 있게 된다. 따라서 좀더 미소화된 강구와 지그의 적용이 요구되며, 이를 통해 용접부 국부조직에 대한 보다 정도있는 물성평가가 가능할 것이다.
1에 원으로 나타내었다. 여기서 부하강구 의 개재(介在) 영역이 각 조직 내에 정확하게 위치하고 있어 시험대상 조직에 대한 고유한 물성평가가 가능할 것으로 기대된다.
M이나 FGHAZ 조직의 일부가 동반 변형됨을 볼 수 있었다. 또한 시효시간에 따른 타 조직들의 전반적인 열화거동을 감안하고, ASP 시험 시 F.L+CGHAZ 조직내에서 고유하고 균일한 파단이 발 생되어 용접부 미세조직의 구성영역 내에 강구에 의한 변형영역이 존재함을 고려할 때, ASP 시험결과에서 상 대적인 신뢰성을 확보할 수 있을 것으로 기대한다. 그러나 Fig.
3) 용접부의 각 조직별 연-취성 천이거동과 F.L+ CGHAZ 조직의 열화거동 등을 고려할 때, ASP 시험'을 통하여 용접부의 미세조직에 대해 보다 고유하고 신뢰성있는 재질열화도의 평가가 가능할 것으로 기대한다.
본 연구에서는 우선적으로 ASP 시험기법의 용접부 미세조직에의 적용 가능성에 초점을 맞추어 조직적인 측면에서 용접부의 열화거동을 살펴보았으며, 용접부의 재질열화 평가에 대한 ASP 시험의 적용 가능성을 확인하였다. 향후 탄화물 생성과 불순물의 편석 거동. ICHAZ 조직에서의 M-A 생성물 등이 용접부 미세조직의 재질열화 거동에 미치는 영향이 고려되어져야 할 것이다.

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