[논문]선박 및 해양구조물용 극저온 재료의 기계적 거동 특성

박웅섭; 강기엽; 전민성; 이제명

doi:10.3744/snak.2011.48.3.189

문제 정의

따라서 본 연구에서는, 극저온 재료의 온도 및 변형률 속도 의존 통합 구성방정식 개발을 위한 기초 연구단계로, 대표적 극저온 재료에 대한 인장실험을 수행하였다. 실험은 온도 및 변형률 속도의 영향을 고려하여 수행되었으며, 실험 재료로는 300계열의 오스테나이트 스테인레스 강인 304L(17% CW), 316L(17% CW), 321, 347과, 알루미늄 합금 계열 AA5083, 니켈 강 합금 계열 Invar 강을 선정하였다.
AA5083은 상온에서는 포물선 형태의 거동을 보이는 반면, 온도가 감소함에 따라 θ-진변형률 곡선의 기울기가 감소하며 선형적으로 그 거동 형태가 변화하는 경향을 나타냈다. 또한 알루미늄 합금의 변형률 속도에 대한 불안정 특성을 실험 결과를 통해 확인할 수 있었다.
본 연구는 선박 및 해양구조물용 극저온 재료의 온도 및 변형률 속도 의존 통합 구성방정식의 개발의 위한 일환으로 수행되었다. 본 연구 결과는 정밀한 구조설계와 안전성 평가를 위한 중요한 실험적 근거로 조선뿐만 아니라 극저온 관련 다방면의 산업분야에 응용하여 사용될 수 있으리라 판단된다.
본 연구에서는 극저온 구조물에 널리 사용되고 있는 재료인 300 계열의 오스테나이트 스테인리스 강(ASS), 알루미늄 합금 그리고 니켈 합금 강에 대한 극저온 인장실험이 수행되었다. 극저온 재료의 강도 및 연성에 대한 온도 및 변형률 속도 의존 경향성이 파악되었으며, 변형률 경화 속도 및 변형률 속도 민감도를 통해 실험 재료의 복잡한 비선형 거동이 분석되었다.
본 연구에서는 극저온 재료로 가장 널리 상용되고 있는 ASS, 알루미늄 합금 및 니켈 강 합금에 대한 극저온 인장 실험이 수행되었다. 실험에 사용된 재료의 조선 분야에서의 대표적인 적용 예를 Fig.
본 연구에서는 이러한 극저온 재료의 복잡한 비선형성을 분석하기 위하여 다양한 온도 및 변형률 속도 의존 인장 실험을 수행하였고, 그 결과를 강도 및 연성, 변형률 경화 속도 및 변형률 속도 민감도 측면에서 분석하였다.

가설 설정

본 연구에서는 실험 조건을 바탕으로 가장 상변태에 적은 영향을 끼치는 실험 최저 변형률 속도인 0.00016/s을 기준 변형률 속도 #로 가정하며, 기준 응력 σref은 # 조건 실험의 각 변형률에서의 유동응력으로 정의된다.

제안 방법

본 연구에서는 실험된 극저온 재료인 AISI 304L, 316L, 321, 347, AA5083, Invar 강의 온도 및 변형률 속도 의존 재료 거동이 파악되었다. 2차 경화, 강도 및 연성의 증가와 같은 기계적 거동 특성에 대한 경향성을 정량적으로 제시하였다. 또한 저온영역에서 변형률 속도에 의존하는 비선형 거동을 표현하기 위하여 변형률 경화 속도 및 변형률 속도 민감도를 도입하였고, 유동 변형률, 온도, 변형률 속도의 항으로 요약하여 그 경향성을 비교 분석하였다.
또한 실험 변형률 속도의 경우, 과거 연구(Reed & Simon, 1990; Bang, 1989)에 보고된 바와 같이, ASS의 상변태에 민감하게 작용하는 준정적 변형률 속도 범위에서 실험 변형률 속도를 선정하였다.
2차 경화, 강도 및 연성의 증가와 같은 기계적 거동 특성에 대한 경향성을 정량적으로 제시하였다. 또한 저온영역에서 변형률 속도에 의존하는 비선형 거동을 표현하기 위하여 변형률 경화 속도 및 변형률 속도 민감도를 도입하였고, 유동 변형률, 온도, 변형률 속도의 항으로 요약하여 그 경향성을 비교 분석하였다.
3, 4와 같이 특수 제작된 형태의 시험시스템을 사용하였다. 만능시험기(UH 1000KNI, SHIMADZU, Fig. 4)를 사용하여 실험을 수행하였으며, 극저온 환경 구축을 위하여 저온 챔버를 도입하였다. 저온 챔버 내부에 설치되어 있는 3개의 thermocouple를 통해 질소가스의 유동을 제어하여 일정한 온도를 유지하는 자동 온도 조절 시스템을 이용하였으며, 정확한 변형량의 측정을 위하여, 극저온용 신율계(3542-050M-100-LT, Epsilon tech)를 사용하였다.
본 연구에서는 니켈 강 합금 중 Invar 강을 실험 재료로 선정하여, 각 실험 조건에 따른 변형률 경화 속도 거동 및 변형률 속도 민감도를 정량적으로 비교 분석하였다. 사용된 Invar 강에 대한 화학적 성분비를 Table 4에 나타낸다.
AA5083은 일반 강의 1/3 수준의 밀도로 인하여 구조물 경량화 관점에서 매우 유용하게 사용되고 있으며(ASTM, 2009), 이러한 장점들을 이용하여 LNG 화물창의 1차 방벽 재료로 널리 사용되고 있다. 본 연구에서는 알루미늄 합금 계열 실험 재료로 AA5083계열 재료 중 AA5083(H116, 5% CW)을 선정하였으며, 극저온에서의 온도 및 변형률 속도 의존 거동을 비교 분석하였다.
실험된 재질의 강도와 연신율의 온도 및 변형률 속도 의존성 분석이 수행되었다. Fig.
실험은 각 온도에서 3가지 변형률 속도로 수행되었으며, 실험 결과의 반복성을 확인하기 위하여 조건별 4회 이상의 실험을 수행하였다. 총 400회 이상의 실험이 수행되었으며, 각 실험 결과는 5% 이내의 오차를 나타냈다.
실험은 온도 및 변형률 속도의 영향을 고려하여 수행되었으며, 실험 재료로는 300계열의 오스테나이트 스테인레스 강인 304L(17% CW), 316L(17% CW), 321, 347과, 알루미늄 합금 계열 AA5083, 니켈 강 합금 계열 Invar 강을 선정하였다. 인장실험을 통해 각 재료의 온도와 변형률 속도 의존성을 정량적으로 분석하였으며, 통합 구성방정식에 적용하기 위하여 변형률 경화 속도 및 변형률 속도 민감도 측면에서 비선형 거동을 분석하였다.
4)를 사용하여 실험을 수행하였으며, 극저온 환경 구축을 위하여 저온 챔버를 도입하였다. 저온 챔버 내부에 설치되어 있는 3개의 thermocouple를 통해 질소가스의 유동을 제어하여 일정한 온도를 유지하는 자동 온도 조절 시스템을 이용하였으며, 정확한 변형량의 측정을 위하여, 극저온용 신율계(3542-050M-100-LT, Epsilon tech)를 사용하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 다양한 종류의 ASS 중 용접 구조물의 HAZ(Heat affected zone)나 해양 환경에서의 구조물 등에서 자주 발생하는 임계부식, 공식부식, 응력부식균열 등에 강한 저항력을 보유한 AISI 304L(17% CW), 316L(17% CW), 321, 347를 실험 재료로 선정하였다. 또한, AISI 304L과 316L의 경우 저온 영역에서 더욱 우수한 성능을 보이는 냉간 가공(Cold-working, CW)된 재료를 실험 재료로 선정하였다. 실험된 ASS의 화학적 성분 구성을 Table 2에 나타내었다.
300계열 ASS는 극저온 환경에서 부식과 산화에 대해 우수한 저항성을 가지고 있으며, 뛰어난 연성 및 강도를 갖는다. 본 연구에서는 다양한 종류의 ASS 중 용접 구조물의 HAZ(Heat affected zone)나 해양 환경에서의 구조물 등에서 자주 발생하는 임계부식, 공식부식, 응력부식균열 등에 강한 저항력을 보유한 AISI 304L(17% CW), 316L(17% CW), 321, 347를 실험 재료로 선정하였다. 또한, AISI 304L과 316L의 경우 저온 영역에서 더욱 우수한 성능을 보이는 냉간 가공(Cold-working, CW)된 재료를 실험 재료로 선정하였다.
본 연구에서는 실험된 극저온 재료인 AISI 304L, 316L, 321, 347, AA5083, Invar 강의 온도 및 변형률 속도 의존 재료 거동이 파악되었다. 2차 경화, 강도 및 연성의 증가와 같은 기계적 거동 특성에 대한 경향성을 정량적으로 제시하였다.
실험 조건은 온도 및 변형률 의존성을 분석을 위해 Table 5와 같이 설정되었다. 실험 온도는 LNG와 LPG의 저장 온도를 고려하여 상온을 포함한 5개의 실험 온도를 선정하였다. 또한 실험 변형률 속도의 경우, 과거 연구(Reed & Simon, 1990; Bang, 1989)에 보고된 바와 같이, ASS의 상변태에 민감하게 작용하는 준정적 변형률 속도 범위에서 실험 변형률 속도를 선정하였다.
실험에 사용된 시편은 한국산업규격((KS B 0801 10; KS B 0801 13B; Fig. 5)에 따라 제작되었으며(KS, 2006), 시편 내부의 열 평형상태를 고려하여 실험 전 30분간의 예냉을 실시하였다.
따라서 본 연구에서는, 극저온 재료의 온도 및 변형률 속도 의존 통합 구성방정식 개발을 위한 기초 연구단계로, 대표적 극저온 재료에 대한 인장실험을 수행하였다. 실험은 온도 및 변형률 속도의 영향을 고려하여 수행되었으며, 실험 재료로는 300계열의 오스테나이트 스테인레스 강인 304L(17% CW), 316L(17% CW), 321, 347과, 알루미늄 합금 계열 AA5083, 니켈 강 합금 계열 Invar 강을 선정하였다. 인장실험을 통해 각 재료의 온도와 변형률 속도 의존성을 정량적으로 분석하였으며, 통합 구성방정식에 적용하기 위하여 변형률 경화 속도 및 변형률 속도 민감도 측면에서 비선형 거동을 분석하였다.

성능/효과

온도가 감소함에 따라, 음의 기울기는 증가하였고, 점차적으로 S자 형태의 곡선으로 바뀌는 거동을 나타내었다. AA5083의 변형률 속도 민감도는 최대 인장강도 영역까지 증가하였고, 그 후 다시 감소하는 경향을 나타냈다. 전체적 기울기는 감소하였으며, 변형률 속도에 둔감한 경향을 나타냈다.
ASS의 경우, 온도가 감소함에 따라 항복강도는 미소(5%)하게 증가하는 반면, 인장강도는 평균적으로 100%의 증가를 나타냈다. 이는 ASS의 FCC결정 구조가 저온에서 TRIP에 의해 소성변형 중 BCC결정구조로 상변태되며, 이 과정에서 2차 경화가 발현됨에 따라 강도가 증가하게 되기 때문이다.
AA5083은 강도 측면에서는 변형률 속도 영향을 거의 받지 않지만, 연신율은 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. Invar 강의 경우 중간 변형률 속도까지는 항복응력이 증가하였으며, 인장강도의 경우 거의 증가하지 않는 경향을 나타내는데 반면, 최대 변형률 속도에서 인장강도는 감소하는 경향을 나타냈다.
AA5083의 변형률 경화 속도는 음의 기울기를 나타냈으며, 점차적으로 기울기는 음의 방향으로 증가하면서 선형 거동 형태를 나타냈다. Invar 강의 변형률 경화 속도는 S형태의 거동을 나타냈고, 그 기울기가 변형률 경화 속도가 증가함에 따라 감소하였다. 저온영역에서 변형률 속도가 증가함에 따라, ASS의 변형률 경화 속도는 감소하는 경향을 보였다.
본 연구에서는 극저온 구조물에 널리 사용되고 있는 재료인 300 계열의 오스테나이트 스테인리스 강(ASS), 알루미늄 합금 그리고 니켈 합금 강에 대한 극저온 인장실험이 수행되었다. 극저온 재료의 강도 및 연성에 대한 온도 및 변형률 속도 의존 경향성이 파악되었으며, 변형률 경화 속도 및 변형률 속도 민감도를 통해 실험 재료의 복잡한 비선형 거동이 분석되었다.
본 연구 결과, 실험된 모든 재료는 상온 대비 저온에서 더욱 우수한 강도를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 또한 AA5083과 Invar 강의 연성은 온도가 감소함에 따라 일반적인 강과는 반대로 증가하는 독특한 결과를 확인할 수 있었다.
반면 그 거동 형태는 AA5083과 반대로 상온에서는 선형적 거동을 보이나, 온도가 감소함에 따라 S자 형태 거동이 변화하는 경향을 나타냈다. 또한 변형률 속도 의존성 측면에서 실험 최저 변형률 속도와 중간 변형률 속도에서는 유사한 수치의 변형률 경화 속도, 즉 거의 변화가 없는 경향성을 나타내었으나, 실험 최고 변형률 속도에서는 강도 및 연성이 감소하는 경향을 보였다.
상온에서 M-변형률 곡선은 포물선 형태의 거동을 나타내는데 반면, 온도가 감소함에 따라 음의 기울기가 증가하면서 S자 형태로 점차 변화하는 경향을 확인할 수 있었다. 또한 상온에서는 점차 감소하는 단순한 형태의 곡선을 나타내는데 반면, 극저온에서는 2차 경화의 시작과 함께 변형률 속도 민감도가 낮아지며, 인장응력 영역 이후 변형률 속도 민감도가 급속히 낮아지는 경향을 확인할 수 있었다.
따라서 이러한 이유로 인하여 본 연구에서 실험된 AA5083과 Invar 강은 일반적인 강들과는 달리 위와 같은 독특한 재료거동을 나타내게 된다. 또한, 본 연구에서 실험된 알루미늄 합금 계열 재료는 불연속 항복의 소성 불안정 요소 때문에 변형률 속도에 둔감한 재료로 알려져 있으며(Obst, 1991), 본 연구의 실험 결과에서 또한 변형률 속도에 있어 매우 불규칙한 의존 경향성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구 결과, 실험된 모든 재료는 상온 대비 저온에서 더욱 우수한 강도를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 또한 AA5083과 Invar 강의 연성은 온도가 감소함에 따라 일반적인 강과는 반대로 증가하는 독특한 결과를 확인할 수 있었다.
ASS는 일반적인 재료와는 반대로 전반적으로 음의 기울기의 M-변형률 곡선을 나타내었다. 상온에서 M-변형률 곡선은 포물선 형태의 거동을 나타내는데 반면, 온도가 감소함에 따라 음의 기울기가 증가하면서 S자 형태로 점차 변화하는 경향을 확인할 수 있었다. 또한 상온에서는 점차 감소하는 단순한 형태의 곡선을 나타내는데 반면, 극저온에서는 2차 경화의 시작과 함께 변형률 속도 민감도가 낮아지며, 인장응력 영역 이후 변형률 속도 민감도가 급속히 낮아지는 경향을 확인할 수 있었다.
12(C)와 같이 전반적으로 M-변형률 관계에서 음의 기울기를 나타냈다. 상온에서는 인장응력 영역까지 거의 변화를 나타내지 않는 반면, 온도가 감소함에 따라 뚜렷하게 음의 측면에서 기울기가 증가하는 현상, 즉 온도가 감소함에 따라 점차 변형률 속도에 대한 영향을 크게 받는 경향성을 실험 결과 확인할 수 있었다.
8(E)~8(F)는 FCC 결정 구조인 AA5083과 Invar 강의 온도 및 변형률 속도 의존 경향을 나타낸다. 온도가 감소함에 따라 AA5083은 항복 및 인장강도가 각각 30%, 18%, 연신률은 130% 증가하였고, Invar 강은 항복 및 인장강도가 각각 100%, 70%, 연신률은 40% 증가하는 경향을 나타내었다. Invar 강의 경우에 0.
- ASS는 일반적으로 음의 기울기 변형률 속도 민감도를 나타냈다. 온도가 감소함에 따라, 음의 기울기는 증가하였고, 점차적으로 S자 형태의 곡선으로 바뀌는 거동을 나타내었다. AA5083의 변형률 속도 민감도는 최대 인장강도 영역까지 증가하였고, 그 후 다시 감소하는 경향을 나타냈다.
그 후 변형률 경화 속도는 급격히 감소하게 되며, 인장응력 영역에서 최저값을 나타낸다. 위와 같이 ASS 계열 재료는 상변태에 따라 변형률 경화 속도는 매우 상이한 형태의 거동을 나타내는 것을 본 연구 결과 확인할 수 있었다.
이는 알루미늄 합금 계열 재료는 상온과 저온 영역에서 변형률 속도에 매우 둔감하다는 과거 연구 결과(Voorhees, 1969; Chatfield & Rote, 1981; Pantankar & Tan, 1998)와 유사한 결과로, 본 연구의 실험 결과 또한 AA5083은 변형률 속도에 매우 불규칙한 경향성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
일정한 온도 110K에서 변형률 속도에 따른 각 재료 거동을 비교한 Fig. 7에서 볼 수 있듯이, ASS와 Invar 강은 뚜렷한 변형률 속도 의존 경향을 나타내었다. 저온에서 변형률 속도가 증가함에 따라, ASS는 항복강도가 증가하지만 인장강도는 감소하는 경향성을 나타낸다.
7에서 볼 수 있듯이, ASS와 Invar 강은 뚜렷한 변형률 속도 의존 경향을 나타내었다. 저온에서 변형률 속도가 증가함에 따라, ASS는 항복강도가 증가하지만 인장강도는 감소하는 경향성을 나타낸다. 이는 단열효과에 의한 현상이며, 온도가 감소함에 따라 변형률 속도에 대한 의존성은 더욱 뚜렷이 나타낸다(Park, 2010; Talonen, 2005).
항복 및 인장강도가 증가하였으며, AA5083과 Invar 강 또한 항복 및 인장강도가 증가하였으며, 연신율 또한 크게 증가하는 경향을 나타내었다. 저온영역에서 변형률 속도가 증가함에 따라, ASS에서는 항복강도의 증가를 보였으며, 인장강도는 감소하였다. AA5083은 강도 측면에서는 변형률 속도 영향을 거의 받지 않지만, 연신율은 감소하는 경향을 확인할 수 있었다.
Invar 강의 변형률 경화 속도는 S형태의 거동을 나타냈고, 그 기울기가 변형률 경화 속도가 증가함에 따라 감소하였다. 저온영역에서 변형률 속도가 증가함에 따라, ASS의 변형률 경화 속도는 감소하는 경향을 보였다. AA5083은 변형률 경화 속도에 변형률 속도의 영향을 거의 나타내지 않았으며, Invar 강의 경우 변형률 경화 속도가 감소하는 경향을 나타내었다.
AA5083의 변형률 속도 민감도는 최대 인장강도 영역까지 증가하였고, 그 후 다시 감소하는 경향을 나타냈다. 전체적 기울기는 감소하였으며, 변형률 속도에 둔감한 경향을 나타냈다. Invar 강의 경우, 전반적으로 변형률 속도 민감도는 음의 기울기가 증가하는 경향을 나타냈다.
실험은 각 온도에서 3가지 변형률 속도로 수행되었으며, 실험 결과의 반복성을 확인하기 위하여 조건별 4회 이상의 실험을 수행하였다. 총 400회 이상의 실험이 수행되었으며, 각 실험 결과는 5% 이내의 오차를 나타냈다.
이는 알루미늄 합금 계열 재료는 상온과 저온 영역에서 변형률 속도에 매우 둔감하다는 과거 연구 결과(Voorhees, 1969; Chatfield & Rote, 1981; Pantankar & Tan, 1998)와 유사한 결과로, 본 연구의 실험 결과 또한 AA5083은 변형률 속도에 매우 불규칙한 경향성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 Fig. 7에 나타난 바와 같이 변형률 속도의 증가에 따라 연성은 상당량 감소하는, 즉 AA5083은 연성의 관점에서만 변형률 속도에 의존하는 것을 실험 결과 확인할 수 있었다.
- 온도가 감소함에 따라, ASS는 변태유기소성(TRIP)에 의한 2차 경화 현상이 관찰되었다. 항복 및 인장강도가 증가하였으며, AA5083과 Invar 강 또한 항복 및 인장강도가 증가하였으며, 연신율 또한 크게 증가하는 경향을 나타내었다. 저온영역에서 변형률 속도가 증가함에 따라, ASS에서는 항복강도의 증가를 보였으며, 인장강도는 감소하였다.

후속연구

본 연구는 선박 및 해양구조물용 극저온 재료의 온도 및 변형률 속도 의존 통합 구성방정식의 개발의 위한 일환으로 수행되었다. 본 연구 결과는 정밀한 구조설계와 안전성 평가를 위한 중요한 실험적 근거로 조선뿐만 아니라 극저온 관련 다방면의 산업분야에 응용하여 사용될 수 있으리라 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LNG 관련 구조물은 극한 조건을 만족하기 위해 어떠한 재료로 만들어지는가?	일반적으로 LNG는 110K(-163℃)의 극저온에서 저장되기 때문에 LNG Tanker의 1, 2차 방벽, 안전밸브, 이송 파이프 등의 LNG 관련 구조물은 극저온 및 고압 등의 극한 상태에서 충분한 안전성이 확보되어야 한다. 따라서 이러한 극한 조건을 충족시키기 위해, 우수한 저온 재료 특성을 보유한 오스테나이트 스테인레스 강(ASS), 알루미늄 합금(Aluminum alloy), 니켈 강 합금(Nickel steel alloy) 등이 널리 사용되고 있다.
	LNG 관련 구조물이 극저온 및 고압 등의 극한 상태에서 충분한 안전성이 확보되어야 하는 이유는 무엇인가?	일반적으로 LNG는 110K(-163℃)의 극저온에서 저장되기 때문에 LNG Tanker의 1, 2차 방벽, 안전밸브, 이송 파이프 등의 LNG 관련 구조물은 극저온 및 고압 등의 극한 상태에서 충분한 안전성이 확보되어야 한다. 따라서 이러한 극한 조건을 충족시키기 위해, 우수한 저온 재료 특성을 보유한 오스테나이트 스테인레스 강(ASS), 알루미늄 합금(Aluminum alloy), 니켈 강 합금(Nickel steel alloy) 등이 널리 사용되고 있다.
	본 연구에서 극저온 재료에 대한 인장실험을 수행하기 위해 선택한 실험 재료는 무엇인가?	본 연구에서는 극저온 재료로 가장 널리 상용되고 있는 ASS, 알루미늄 합금 및 니켈 강 합금에 대한 극저온 인장 실험이 수행되었다. 실험에 사용된 재료의 조선 분야에서의 대표적인 적용 예를 Fig.

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