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문제 정의
- 8,9) 따라서 본 연구는 Q&P강과 AM강의 미세조직과 기계적 특성 비교를 통해, 각각의 강의 연신율에 미치는 잔류오스테나이트의 분율과 안정도의 영향에 대한 연구를 수행하였다.
- Q&P강과 AM강은 마르텐사이트, 베이나이트의 경질조직을 기지조직으로 하는 강이다. 고강도/고인성의 mechanism 이 경질조직과 연신율에 기여하는 잔류오스테나이트의 영향을 체계적으로 연구하였다. Fig.
제안 방법
- Q&P강과 AM강은 다상복합조직으로 구성되어있어 광학현미경으로 조직 구별을 위해 두가지 방법으로 에칭을 실시하였다.
- 기계적 특성을 분석 하기 위해 Q&P와 AM 열처리 후인장시험을 실시하였다.
- 단상영역과 이상영역에서 어닐링과 칭 후 350°C에서 partitioning을 실시하였다.
- 본 연구는 0.24C-0.5Si-1.5Mn을 기본 조성으로 경질 조직인 마르텐사이트와 베이나이트 기지를 각각 가지는 Q&P강과 AM강의 열처리를 실시하였으며, Q&P강과 AM 강의 기계적 특성과 잔류오스테나이트의 영향에 대해 얻은 결론은 다음과 같다.
- 시편은 10℃/s의 속도로 1100℃(γ), 900℃(γ + α)까지 가열 후 상온까지 10℃/s, 50℃/s로 냉각하면서 측정하였다.
- 1은 Q&P와 AM강의 열처리 공정을 나타낸 그림이다. 열처리 온도를 설정하기 위해 직경 3 mm 길이 10 mm의 원통형 시편으로 dilatometer 에서 Ac1, Ac3, Ms 온도를 측정하였다. 시편은 10℃/s의 속도로 1100℃(γ), 900℃(γ + α)까지 가열 후 상온까지 10℃/s, 50℃/s로 냉각하면서 측정하였다.
- 1% 미만의 nital용액을 이용한 느린속도의 에칭법과 1% nital 에칭 후 sodium metabisulfite (Na2S2O5 + H2O 100 ml)에 의한 LePera 에칭법10)을 실시하였다. 자성측정기와 X-선회절분석기(XRD)를 사용하여 잔류오스테나이트의 분율과 안정도를 측정하였다. 잔류오스테나이트 분율 측정은 자성체인 BCC(페라이트)와 BCT(마르텐사이트), 비자성체인 FCC(오스테나이트)를 자성측정기에 의해 분류하여 측정하였다.
- 자성측정기와 X-선회절분석기(XRD)를 사용하여 잔류오스테나이트의 분율과 안정도를 측정하였다. 잔류오스테나이트 분율 측정은 자성체인 BCC(페라이트)와 BCT(마르텐사이트), 비자성체인 FCC(오스테나이트)를 자성측정기에 의해 분류하여 측정하였다. 일반적으로 Q&P강과 AM강의 잔류오스테나이트는 X-선회절분석기를 이용해 측정된다.
대상 데이터
- 본 연구는 0.24C-0.5Si-1.5Mn-1.0Al-0.2Cr의 강이 사용되었다. Fig.
이론/모형
- Q&P강과 AM강은 다상복합조직으로 구성되어있어 광학현미경으로 조직 구별을 위해 두가지 방법으로 에칭을 실시하였다. 1% 미만의 nital용액을 이용한 느린속도의 에칭법과 1% nital 에칭 후 sodium metabisulfite (Na2S2O5 + H2O 100 ml)에 의한 LePera 에칭법10)을 실시하였다. 자성측정기와 X-선회절분석기(XRD)를 사용하여 잔류오스테나이트의 분율과 안정도를 측정하였다.
성능/효과
- 1. 단상영역에서 열처리한 Q&P강은 마르텐사이트 기지와 마르텐사이트래스 사이에 존재하는 잔류오스테나이트 조직으로 구성되었다.
- 2. Q&P강의 partitioning 시간이 증가할수록 잔류오스 테나이트 분율이 감소하였고, 연신율은 증가하였다.
- 5. Q&P강의 강화 기구는 마르텐사이트 조직에 있던 과포화 탄소의 partitioning에 의한 잔류오스테나이트의 안정도 증가에 의해 결정되었다. AM강의 강화 기구는 많은 탄소를 가질 수 있는 베이나이트 기지조직으로 인하여 오스템퍼링 시 잔류오스테나이트의 안정도는 거의 변화가 없었으며 잔류오스테나이트의 분율에 의해 결정되었다.
- 결론적으로 베이나이트 기지조직을 가지는 AM강의 연신율은 잔류오스테나이트의 안정도가 일정하므로 분율에 의해 결정되며, 마르텐사이트 기지조직을 가지는 Q&P강에 비해 연신율이 높은 것으로 생각된다.
- 결론적으로 이상영역 Q&P강은 단상영역 Q&P강보다 잔류 오스테나이트 분율과 안정도가 높아 연신율이 높은 것으로 판단된다.
- 단상영역과 이상영역의 인장강도/항복강도와 연신율과의 관계를 통해 이상영역 Q&P강의 인장강도와 항복강도가 단상영역 Q&P강보다 낮은 값을 가지고, 연신율은더 높은 값을 보였다.
- 단상영역에서 어닐링 한 Q&P강의 잔류오스테나이트분율은 partitioning 시간이 증가할수록 8.2~1.6%까지 감소하며, 잔류오스테나이트의 안정도는 100s까지 감소하다가 100s이후 증가하였다.
- 7에서 오스템퍼링 시간에 따라 잔류오스테나이트의 분율은 감소하면서 연신율도 감소하였다. 또한 오스템퍼링 온도가 증가함에 따라 잔류오스 테나이트의 분율은 증가하면서 연신율도 증가하였다. 440°C 에서 오스템퍼링시 잔류오스테나이트의 분율이 감소함에 따라 안정도는 증가하지 않고 일정하게 유지 되었다.
- 2% 증가하였지만 뚜렷한 변화가 없었다. 반면에 오스템퍼링 온도가 증가할수록 잔류오스테나이트의 분율은 약 6% 증가하였으며, 안정도는 거의 변화가 없었다. Fig.
- 오스템퍼링 시간이 길어지면서 Ms 이상의 온도에서는 베이나이트의 분율이 증가하였으며, Ms 이하의 온도에서는 광학현미경상으로 뚜렷한 조직의 차이를 관찰 할 수 없었다.
- Ms 보다 높은 온도에서 오스템퍼링시 베이나이트가 생성되어 Ms 보다 낮은 온도에서 오스템퍼링을 한 경우보다 항복강도가 낮게 나타나며 연신율은 높은 것을 알 수 있다. 오스템퍼링 시간이 증가하면서 등 온베이나이트의 변태에 의해 베이나이트분율이 증가하면서 항복강도는 증가하고 연신율은 감소하였다. 오스템퍼링 시간이 증가하면서 등온마르텐사이트변태와 등온베이 나이트변태가 발생하므로 잔류오스테나이트 분율은 감소할 것으로 사료된다.
- Ms 보다 낮은 온도에서 오스템 퍼링시 마르텐사이트 변태가 다량 발생하여 항복강도를 높이고 연신율은 낮춘 것으로 판단된다. 오스템퍼링 시간이 증가하면서 등온마르텐사이트변태에 의해 마르텐사이트분율이 더욱 증가하면서 항복강도가 증가하고 연신율은 감소되었다. Ms 보다 높은 온도에서 오스템퍼링시 베이나이트가 생성되어 Ms 보다 낮은 온도에서 오스템퍼링을 한 경우보다 항복강도가 낮게 나타나며 연신율은 높은 것을 알 수 있다.
- AM강은 베이나이트 마르텐사이트 페라이트와 잔류 오스테나이트로 구성되었다. 오스템퍼링 시간이 증가할수록 잔류오스테나이트 분율이 감소하였고, 연신율도 감소 하였다. 오스템퍼링 온도(340°C, 390°C, 440°C)가 증가하면서 잔류오스테나이트 분율이 증가하고, 연신율도 증가하였다.
- 6은 AM강의 인장강도/항복강도, 연신율을 오스템 퍼링 시간(100s, 500s, 1000s)과 오스템퍼링 온도(340°C, 390°C~M s , 440°C)에 따라 나타내었다. 오스템퍼링 시간이 증가함에 따라 인장강도의 변화는 거의 없이 일정하였으며, 항복강도는 전반적으로 증가하였으며, 연신율은 감소하였다. 오스템퍼링 온도가 증가함에 따라 인장강도는 감소하였고, 항복강도는 거의 일정하였으며, 연신율은 크게 증가하였다.
- 또한 등온마르텐사이트변태와 등온베이나이트변태가 발생하여 마르텐사이트와 베이나이트의 분율이 증가하므로 항복강도가 증가하는 것으로 판단된다. 오스템퍼링 온도가 높을수록 잔류오스테나이트의 안정도는 거의 변함 없이 분율이 증가하면서 연신율이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 잔류오스테나이트의 안정도가 일정하거나 감소하는 경향이 있지만 부피분율의 변화가 크기 때문에 연신율은 잔류오스테나이트 분율과 밀접한 연관성이 있었다.
- 오스템퍼링 시간이 증가함에 따라 인장강도의 변화는 거의 없이 일정하였으며, 항복강도는 전반적으로 증가하였으며, 연신율은 감소하였다. 오스템퍼링 온도가 증가함에 따라 인장강도는 감소하였고, 항복강도는 거의 일정하였으며, 연신율은 크게 증가하였다. 인장강도는 오스템퍼링 온도와, 항복강도의 변화는 오스템퍼링 유지 시간에 따라 밀접한 관계가 있음을 알 수 있었다.
- 이상영역 Q&P강에서는 10s~100s까지의 partitioning 시간에서 높은 연신율을 나타냈으며, 1000s에서는 연신율이 급격히 감소하였다. 이 결과는 partitioning 시간 100s까지는 마르텐사이트에 과포화된 탄소가 잔류오스테나이트로 확산되어 안정화 시키고, 상온 에서도 안정한 잔류오스테나이트가 인장변형 중간에 꾸준히 마르텐사이트로 변태되면서 연신율을 높이는데 기여한 것으로 판단된다. 그러나 이상영역 Q&P강의 경우 열처리 시 partitioning 시간이 1000s로 증가할수록 잔류 오스테나이트의 분율이 감소하며 안정도는 증가되지 않는 이유는 등온베이나이트 변태가 발생하여 잔류오스테나이트로의 탄소 확산을 늦추거나 또는 잔류오스테나이트에 존재하던 탄소가 오히려 베이나이트로 확산되면서 잔류오스테나이트의 안정도가 감소한 것으로 사료된다.
- 이상 영역에서 어닐링 한 Q&P강의 잔류오스테나이트 분율은 partitioning 시간이 증가할수록 10.9~3.5%까지 감소하며, 잔류오스테나이트의 안정도는 0.65~0.85%로 10s~100s까지 증가하다가 100s 후 일정하게 유지되었다.
- 이상영역 Q&P강에서는 10s~100s까지의 partitioning 시간에서 높은 연신율을 나타냈으며, 1000s에서는 연신율이 급격히 감소하였다.
- 오스테나이트 단상영역에서 열처리한 경우 항복강도는 partitioning 시간이 증가함에 따라 880 MPa에서 1180 MPa로 증가하였고, 인장강도는 1380 MPa에서 1350 MPa정도로 큰 변화는 없었다. 이상영역에서 어닐링한 경우 항복 강도는 partitioning 시간이 증가함에 따라 770 MPa에서 1150 MPa로 단상영역과 같이 큰 폭으로 증가하였고, 인 장강도는 1290 MPa에서 partitioning 시간이 증가하면서 1180 MPa로 감소하였지만 큰 변화는 없었다. 단상영역에서 열처리 시 partitioning 시간이 증가함에 따라 연신율이 증가 후 일정하게 유지하는 경향이 있으며, 30s에서 10.
- 오스템퍼링 온도가 증가함에 따라 인장강도는 감소하였고, 항복강도는 거의 일정하였으며, 연신율은 크게 증가하였다. 인장강도는 오스템퍼링 온도와, 항복강도의 변화는 오스템퍼링 유지 시간에 따라 밀접한 관계가 있음을 알 수 있었다. Ms 보다 낮은 온도에서 오스템 퍼링시 마르텐사이트 변태가 다량 발생하여 항복강도를 높이고 연신율은 낮춘 것으로 판단된다.
- 7은 AM강의 잔류오스테나이트의 분율(f Y0 )과 안정도(C Y0 )를 나타낸다. 잔류오스테나이트 분율은 오스템퍼링시간이 증가할수록 모든 오스템퍼링 온도에서 약1~2% 로 감소하였고 잔류오스테나이트의 안정도는 약 0.2% 증가하였지만 뚜렷한 변화가 없었다. 반면에 오스템퍼링 온도가 증가할수록 잔류오스테나이트의 분율은 약 6% 증가하였으며, 안정도는 거의 변화가 없었다.
- 오스템퍼링 온도(340°C, 390°C, 440°C)가 증가하면서 잔류오스테나이트 분율이 증가하고, 연신율도 증가하였다. 잔류오스테나이트의 안정도는 뚜렷한 변화가 없었지만, 오스템퍼링 시간보다는 온도에 따라 잔류오스테나이트의 분율은 큰 영향을 받았다.
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