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문제 정의
- 값에 상응하는지 확인하였다. 그리고 용접부 특성을 평가하기 위하여 인성 및 용접 후 경화정도, 충격특성 등을 분석하여 건축구조용 강재로서의 적합성과 특성을 밝힌다.
- 인장시험 및 충격 시험을 계획하였다. 소재의 특성을 파악하기 위하여 인장시험. 충격시험에서는 강판의 압연방향에 따른 기계적 성질을 알아보기 위하여 압연 방향, 압연직각방향으로 구분하였고, 용접부의 강도 및 열영향부의 경도, 온도에 따른 취성파괴정도의 용접특성을 파악하기 위하여 평판인장시험 .
- 용접부의 충격시험편은 그림 2와 같이 용접부 각 부위(본드부, 열영향부, 용착금속부^ 따라서 성질이 다르게 나타나므로 이 논문에서는 시험편의 노치위치에 따른 채취 부위에 따라 충격흡수에너지의 값을 측정하여 각 부위별 충격 특성을 파악하도록 한다.
- 이에 본 연구에서는 건축 구조물에 적용되는 고강도 신강재인 600MPa급 강재의 소재특성을 평가하기 위하여 화학성분, 내력 및 기계적 특성, 사용성 및 인성 등에 대하여 분석하였고 2007 년 8월에 지정된 KS D 3868「교량구조용 압연강재」에 공시된 규격 값에 상응하는지 확인하였다. 그리고 용접부 특성을 평가하기 위하여 인성 및 용접 후 경화정도, 충격특성 등을 분석하여 건축구조용 강재로서의 적합성과 특성을 밝힌다.
- 최근 건축구조용 강재로 개발된 600MPa급 강재의 적합성 및 특성을 파악하기 위하여 기계적 성질의 재료특성 및 용접 특성을 평가하여 다음과 같은 결과로 요약할 수 있다.
제안 방법
- 위하여 -60℃. -40℃, -20℃, ±0℃, +20℃의 온도에 대해 각각 시험을 실시하였다. 시험편은 KS B 0809 「금속재료 충격시험편」에 따라 시험편을 채취하였다.
- 표 5의 화학성분 분석시험의 결과에 따라 식 (1). ⑵를 이용하여 탄소당량(%)과 용접갈라짐 감수성조성(oxm)을 나타내었다. 탄소당량과 용접 갈라짐 감수성조*은 소재의 특성 값으로 저온균열의 발생을 예측할 수 있으며 Pm 값을 평가한 결과, Pg =0.
- 강재의 성질이 급격하게 바뀌는 천이온도를 파악하여 강재의 사용성을 파악하기 위해 샤르피 충격시험을 다음과 같이 계획하였다. 용접부의 충격시험편은 그림 2와 같이 용접부 각 부위(본드부, 열영향부, 용착금속부^ 따라서 성질이 다르게 나타나므로 이 논문에서는 시험편의 노치위치에 따른 채취 부위에 따라 충격흡수에너지의 값을 측정하여 각 부위별 충격 특성을 파악하도록 한다.
- 강재의 압연방향별 시험편으로 인장시험을 실시하여 강재의 이방성 및 단면의 특성을 평가하였다. 시험결과는 표 6과 그림 5~8과 같다
- 강재의 인성등을 파악하기 위하여 샤르피 충격시험을 실시한다. 시험편은 KS B 0809 「금속재료 충격시험편」에 따라 압연 방향(L) 및 압연직각방향(C)으로부터 4호 시험편을 제작하여 -60℃, -40t.
- 용접갈라짐감수성조성(%)에 따른 예열온도 산정과 건축구조용 TMC 강재의 이용 기술지침 (2001)에서 공시하는 온도인 50℃로. 구분하여 계획하였다.
- 굽힘시험」방법에 따라 실시한다. 본 실험은 KS B 0803「금속재료 굽힘시험편」에 규정되어진 시험편을 안쪽 반지름으로 굽힌 각도가 규정의 수치로 될 때까지 구부려, 굽힘 시 표면의 균열이나 기타 결점의 유무를 확인한다.
- 0℃. 상온에서 강재의 각 방향별, 온도별 충격특성을 분석한다.
- 화학성분 분석시험, 굽힘시험. 인장시험 및 충격 시험을 계획하였다. 소재의 특성을 파악하기 위하여 인장시험.
- 소재의 특성을 파악하기 위하여 인장시험. 충격시험에서는 강판의 압연방향에 따른 기계적 성질을 알아보기 위하여 압연 방향, 압연직각방향으로 구분하였고, 용접부의 강도 및 열영향부의 경도, 온도에 따른 취성파괴정도의 용접특성을 파악하기 위하여 평판인장시험 . 용착금속인장시험 .
대상 데이터
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2. 시험계획
시험강재의 기계적 특성 및 용접부 특성을 파악하기 위해 판 두께 16mm, 20mm, 25mm, 40mm의 강판을 사용하여. 화학성분 분석시험, 굽힘시험.
- 시험은 KS B 0802 「금속재료 인장시험 방법」에 따라 강재의 기계적 성질 및 소재특성을 파악하기 위해 두께 1/4 지점에서 압연방항(L) 및 압연직각방향(C)에서 두께에 따른 4호 및 5호 시험편 크기의 시험편을 채취하여 시험을 실시한다.
- -40℃, -20℃, ±0℃, +20℃의 온도에 대해 각각 시험을 실시하였다. 시험편은 KS B 0809 「금속재료 충격시험편」에 따라 시험편을 채취하였다.
- 용접부 평판 인장시험은 20mm, 25mm, 40mm 두께별 용접부시험편을 그림 1과 같이 채취하였으며. 용접부의 강성 및 파괴양상을 파악하기 위하여 KS B 0802 「금속재료 인장 시험편」에 따라 50ton UTM만능시험기기를 이용하여 인장시험을 하였다.
-
표 2. 용접조건
용접재료는 화학성분 및 강도 성능을 고려하여 Supercored 81-K2을 선정하였다
. 용접봉은 지름을 1.
이론/모형
- 600MPa급 강재의 단면의 조직을 육안으로 관찰하여 불순물의 개입여부, 조직균질의 정도 및 라미네이션 발생여부를 확인하는 시험으로, KS D 0210 「강의 매크로조직 시험 방법」에따라 시험한다.
- KS B 0893 「용접 열 영향부의 최고 경도 시험 방법」에 따라 시험편을 시험대상 강재에 1회 용접 후. 채취하였다.
- 한다. 강재의 화학성분 분석시험은 KS D 3515의 규격에 따라 관리하여 시험한다. 시험편은 판 두께별로 각 1/4지점을 시험 면으로 제작한다.
-
1.1 화학성분 분석 시험계획
시험대상 강재의 기계적 성질, 소재특성 및 용접성을 파악하기 위하여 KS D 0001 강재의 검사통칙에 따라 화학성분 분석시험을 한다
. 강재의 화학성분 분석시험은 KS D 3515의 규격에 따라 관리하여 시험한다. - 시험대상 강재의 연성을 육안으로 확인하기 위하여 KS B 0804「금속재료 굽힘시험」방법에 따라 실시한다. 본 실험은 KS B 0803「금속재료 굽힘시험편」에 규정되어진 시험편을 안쪽 반지름으로 굽힌 각도가 규정의 수치로 될 때까지 구부려, 굽힘 시 표면의 균열이나 기타 결점의 유무를 확인한다.
- 그림 1과 같이 채취하였으며. 용접부의 강성 및 파괴양상을 파악하기 위하여 KS B 0802 「금속재료 인장 시험편」에 따라 50ton UTM만능시험기기를 이용하여 인장시험을 하였다.
성능/효과
- (1) 대상강재의 화학성분 분석 결과 5원소와 탄소당량 (Ceq), 용접갈라짐감수성조성(Pcm) 등은 모두 규격을 만족하는 것으로 나타났으며, SM570 TMC강재를 상회하는 것으로 나타났다. 이로부터 대상강재의 화학성분 조성은 충분히 균질하며 양호한 것으로 사료된다.
- (2) 인장시험 결과, 뱡향별 두께별 모두 인장강도 600MPa 이상의 안정적인 값을 나타내었다. 강재의 압연 방향 따른 인장강도는 압연직각방향이 압연방향보다 약 5% 정도 상회하는 값을 나타내었으나 전체적인 강재의 기계적 성질은 방향별에 따른 특이점은 나타나지 않았다.
- (3) 대상강재는 굽힘시험 결과로부터 소성변형에 따른 인성이 충분히 확보되는 것으로 나타났다. 소재의 충격시험 결과, 600MPa급 강재는 KO규격에서 제한하고 있는 충격 흡수에너지 제한 값인 -이에서 47J이상을 월등히 상회하는 것으로 나타났으며, 천이온도 또한 -50℃ 이하로 나타나 온도별 충격특성 및 연성은 매우 우수하며 압연 방향별 이방성도 나타나지 않아 충분한 인성을 확보한 강재인 것으로 판단된다.
- (4) 용착금속 인장시험 결과, 용착금속의 인장강도가 530MPa 로 나타나 모재의 인장강도보다 낮은 값을 나타내었다. 또한 용접부 평판인장시험 결과, 25mm.
- (5) 600MPa급 강재의 용접부 최고경도 값이 상온에서 253Hv~275Hv 미만, 90℃ 예열시 216Hv~238Hv 를 나타내어 도로교표준시방서(2005)에서 권고하고 있는 370Hv 이하의 값에 충분히 만족하는 것으로 나타났으며. 예열 없이 용접한 경우에도 열영향부 경도 상승 수준이 일반강재에 비하여 현저히 낮은 것으로 나타나 대상 강재의 용접에 대한 우수성이 확인되었다.
- (6) 용접부 충격특성시험 결과 KS규준 제한 값인 0℃에서 47J이상은 확보하였으나. 용착금속부와 본드부의 온도에 따른 흡수에너지는 상대적으로 낮은 것으로 나타났다.
- 25mm강재는 항복강도가 477.4~517.3MPa, 인장강도가 655.8~682.8MPa의 범위고, 항복비는 72~76%로 강구조 한계상태설계법에서 건축구조용 강재의 항복비 80%에 만족하였다. 또한 40mm강재에서는 항복강도가 448.
- 실용화하는데 주력하고 있다. HPS를 구조물에 적용한 실적을 분석해 본 결과, 일반 강재를 사용할 때와 비교해서 약 25%의 소요 강재 중량 감소 및 최대 18%의 건설비 절감이 가능하였다고 하고 이를 토대로 최종적으로 약 35%의 LCC(Life Cycle Cost)절감을 목표로 삼아 HPS 강재의 최적 용접법, 설계 . 제작기준의 개정, 신설겨법 검토 등을 중심으로 연구가 진행되고 있다(이종관 등, 2005).
- 안정적인 값을 나타내었다. 강재의 압연 방향 따른 인장강도는 압연직각방향이 압연방향보다 약 5% 정도 상회하는 값을 나타내었으나 전체적인 강재의 기계적 성질은 방향별에 따른 특이점은 나타나지 않았다.
- 상온시의 최고경도 값은 370Hv의 75%수준인 253Hv ~ 275Hv로 나타났다. 따라서 본 연구에 사용된 강재는 예열 없이 용접하더라도 열영향부 의경도 상승 수준이 일반 강재에 비해 현저히 낮은 것을 확인할 수 있었다.
- 분석결과 본 연구에 사용된 강재의 경우 모든 시험체에서 도로교통시방서에서 제한하고 있는 370Hv 이 하의값을 나타내었다. 또한 예열에 따른 경도 값 변화를 파악하고 TMC 강재의 성능을 평가하기 위하여 예열용접부의 경도를 확인한 결과, 예열 용접 시 열영향부의 경도 상승률이 적어지는 것을 확인할 수 있었다. 예열용접과 상온용접의 최고 경도값은 13%~16%의 차이를 나타내어 예열용접시의 강재 경화 정도가 적은 것으로 판명되었으며.
- 항복비는 70~79%로 만족하는 값을 나타내었다. 방향별 이방성은 압연 직각 방향이 압연방향에 비하여 항복강도와 인장강도가 다소 높게 나타났으나, 판 두께별, 방향별 연신율이 대등한 값을 보여 신율차이가 적게 나타난 것을 확인할 수 있었다.
- 충분히 확보되는 것으로 나타났다. 소재의 충격시험 결과, 600MPa급 강재는 KO규격에서 제한하고 있는 충격 흡수에너지 제한 값인 -이에서 47J이상을 월등히 상회하는 것으로 나타났으며, 천이온도 또한 -50℃ 이하로 나타나 온도별 충격특성 및 연성은 매우 우수하며 압연 방향별 이방성도 나타나지 않아 충분한 인성을 확보한 강재인 것으로 판단된다.
- 실험결과 판두께에 따른 화학성분의 차이는 거의 없으며, 규격 값게 충분히 만족하는 것으로 나타났다. 표 5의 화학성분 분석시험의 결과에 따라 식 (1).
- 실험결과, KS D 3868 에서 제한하고 있는 -0℃에서 47J이상을 상회하였고, -40℃에서도 샤르피 충격시험편이 연성파괴를 일으켰으며 모든 두께의 시험편이 파면율에 의한 천이온도가 -50℃이하로 나타나 극 저온에서도 양호한 인성을 나타내는 것으로 판명되었다. 또한 압연방향^ 따른 이방성은 충격시험에서 나타나지 않아 방향성에 대해서 매우 우수한 것으로 사료된다.
- 예열 없이 용접한 경우에도 열영향부 경도 상승 수준이 일반강재에 비하여 현저히 낮은 것으로 나타나 대상 강재의 용접에 대한 우수성이 확인되었다.
- 또한 예열에 따른 경도 값 변화를 파악하고 TMC 강재의 성능을 평가하기 위하여 예열용접부의 경도를 확인한 결과, 예열 용접 시 열영향부의 경도 상승률이 적어지는 것을 확인할 수 있었다. 예열용접과 상온용접의 최고 경도값은 13%~16%의 차이를 나타내어 예열용접시의 강재 경화 정도가 적은 것으로 판명되었으며. 상온시의 최고경도 값은 370Hv의 75%수준인 253Hv ~ 275Hv로 나타났다.
- 용착금속 인장시험 결과 용착금속의 인장 강도가 규격의 값에미달되는 것으로 나타났다. 시험 결과는 표 8에 나타내었다.
- 용착금속의 인장강도는 모재가 되는 강재의 인장 강도 이상의 강도가 되어야 하지만 본 실험에서의 용착금속 인장강도가 강재의 인장강도의 85%부근에서 파단이 났음을 알 수 있다. 이로부터 고강도, 고성능 강재의 용접에 있어 용착금속의 기계적 성질 및 종류의 선정을 고려할 필요성이 있는 것으로 사료된다.
- 충격시험결과 천이온도에 대하여 분석하였을 때 용착금속 부와 본드부에서의 흡수에너지 (J)와 취성파면율 곡선의 교차점인 천이온도가 상온에서 나타나는 것으로 보아 용착금속에 대한 연성 및 강도가 부족한 것으로 판단된다. 열영향부의 천이온도는 -20℃부근인 것으로 나타나, 600MPa급 강재의 열영향^ 의한 경화정도 및 흡수게너지에 대한 안전성을 확인할 수 있다.
후속연구
- 용착금속부와 본드부의 온도에 따른 흡수에너지는 상대적으로 낮은 것으로 나타났다. 이로부터 대상강재에 대한 용착금속의 개발과 용접조건 및 용접상세 등에 대한 지속적인 관리가 필요할 것으로 사료된다.
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