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문제 정의
- 본 시험을 통하여 강재의 실제 항복강도(σy)및 인장강도(σu)와 함께 항복비(σy/σu)및 연신율 등의 소재특성들을 파악할 수 있다.
- 본 연구에서는 건축구조용 강재로 SHN400에 요구되는 소재 특성을 평가하기 위해 KS에 제시된 방법을 적용한 소재 특성 시험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 국내에서 생산되는 SHN400 강종의 소재 특성을 시험적 방법을 통해 파악하고 KS에서 규정된 성능을 발현하는지 확인하여 건축구조용 강재로 적용 타당성을 검증하고, 추후 현장 적용을 위한 기초 자료로 활용하고자 한다.
제안 방법
- SHN400강재의 기계적 특성을 파악하기 위해 인장시험을 실시하였다. 인장시험은 구조물의 설계시 재료의 설계기준강도를 결정하는데 기본이 되는 시험이며, 최근 구조물의 내진설계시 그 중요성이 커지고 있는 비탄성 변형 성능과 관련된 중요한 특성들을 파악할 수 있는 매우 중요한 시험이다.
- SHN400강재의 단면 조직을 육안으로 관찰하여 불순물의 개입여부, 조직균질의 정도 및 라미네이션 발생여부를 확인하기 위하여 매크로 조직시험을 수행하였다.
- 각 시험 결과는 KS규격(KSD 3866)과 비교 평가 하였으며, KS에 구체적으로 명기 되지 아니한 소재 특성의 경우 금속학적인 측면에서 건축구조용 강재에 적절한 결과인지를 평가하였다. 본 연구에서 수행된 소재 특성 평가 시험은 표 1에 나타내었다.
- 강재 시편의 현미경 관찰을 통해 그 곳에 나타나는 상, 결정립의 형상 및 분포상태, 크기 또는 결함 등을 측정하고 이를 통하여 강재의 특성을 평가하기 위해 미크로 조직시험을 실시하였다.
- 건축구조용 강재의 경우 인성(toughness)확보를 위하여 일정 수준의 충격 에너지 흡수 능력의 확보가 요구된다. 따라서 소재의 충격에너지 흡수 능력을 평가하기 위해 샤르피 충격시험을 실시하였다. 시험방법은 KSB 0810샤르피 충격시험에 따라 강재의 인성 관련 충격특성을 파악하였다.
- 소재 특성에 미치는 단면의 외형 치수 및 판 두께에 영향을 파악하기 위해 현재 상업 생산이 가능한 KS의 열간압연 H형강 규격(KS D 3502) 중 춤(H)이 가장 큰 H-918×303×19×37 규격과 플랜지 두께(tf)가 가장 두꺼운 H-458×417×30×50 규격, 그리고 보 부재로 많이 적용되는 H-700×300×13×24규격을 시험체 제작 단면으로 선정하였다.
- 시험은 조직의 관찰이 용이하도록 애칭처리 후 전자 현미경을 사용하여 수행하였다.
- 소재 충격시험편은 KSB 0809에 4호 시험편으로 제작하였다. 시험편은 KSD 3866(SHN 규격)에서 규정하고 있는 강재 압연 방향의 충격특성을 파악할 수 있도록 제작하였으며, 천이온도를 파악하기 위하여 -60, -40, -20, 0, +20℃의 시험온도를 정하고 각 온도별로 3개씩 시험편을 제작하였다. 시험편 채취 위치와 시험편수는 그림 10과 표 9에 나타내었다.
- 매크로 조직시험의 샘플채취위치는 그림 6에 나타내었으며 시험편수는 표 7에 나타난 것과 같이 모두 3개이다. 시험편은 조직의 관찰이 용이하도록 애칭처리를 한 후 표면을 육안으로 관찰하였다.
- ”고 명시하고 있다. 이에 따라 플랜지 압연방향의 판두께별로 1A호 인장시험편을 각 플랜지 두께별 3개씩 제작하였다.
대상 데이터
- SHN400의 인장시험편 채취 위치는 KS D 38669.2.1 c)에 “시험편의 중심은 나비의 끝에서 나비의 1/4의 위치로 한다.
- 소재 충격시험편은 KSB 0809에 4호 시험편으로 제작하였다. 시험편은 KSD 3866(SHN 규격)에서 규정하고 있는 강재 압연 방향의 충격특성을 파악할 수 있도록 제작하였으며, 천이온도를 파악하기 위하여 -60, -40, -20, 0, +20℃의 시험온도를 정하고 각 온도별로 3개씩 시험편을 제작하였다.
- 화학성분 시험편은 KSD 0001강재의 검사 통칙에 따라 제작하였다. 시험편은 플랜지와 웨브 각각에서 채취하였으며, 채취 위치는 그림 1에 나타낸 바와 같이 판요소의 끝단에서 1/4되는 지점으로 하였다. 시험에 적용된 시험편은 표 3에 나타내었다.
- 시험편의 형상은 “KSB 0801의 1A호 및 4호 시험편으로 한다.
데이터처리
- 시험에 적용된 시험편은 표 3에 나타내었다. 화학성분 분석을 위해서는 분광분석기(베어드 BV-6)를 이용하였으며, 시험 결과는 KS에 제시된 화학성분을 대상으로 하여 함유 정도를 평가하였다.
이론/모형
- 매크로 조직시험은 KSD 0210에 따라 조직시험을 계획하였으며 시험편은 플랜지의 판두께 방향으로 시험편이 채취되도록 하였다. 매크로 조직시험의 샘플채취위치는 그림 6에 나타내었으며 시험편수는 표 7에 나타난 것과 같이 모두 3개이다.
- 미크로 조직시험은 SHN400의 미세조직을 파악하기 위하여 KS D 0204 강의 비금속 개재물의 현미경 시험 방법(100배, 500배)에 따라 실시하였다. 시험편은 매크로 조직시험과 동일 크기로 제작하였다.
- 따라서 소재의 충격에너지 흡수 능력을 평가하기 위해 샤르피 충격시험을 실시하였다. 시험방법은 KSB 0810샤르피 충격시험에 따라 강재의 인성 관련 충격특성을 파악하였다.
- 인장시험시 가력속도 및 기타 조건들은 KSB 0802에 제시된 조건을 적용하였으며, 변위제어식 만능재료시험기(그림 3참조)를 이용하여 KSB0802에 의해 시험하였다.
- 화학성분 시험편은 KSD 0001강재의 검사 통칙에 따라 제작하였다. 시험편은 플랜지와 웨브 각각에서 채취하였으며, 채취 위치는 그림 1에 나타낸 바와 같이 판요소의 끝단에서 1/4되는 지점으로 하였다.
성능/효과
- (1)화학성분 시험 결과 KS에서 요구하는 화학성분 제한을 모두 만족하는 것으로 나타났으며, 용접성과 관련된 탄소당량의 경우 평균 32. 9%로 기준치인 40%를 만족하는 결과를 나타내었다.
- (2)기계적 특성을 파악하기 위한 인장시험 결과 항복강도 상, 하한지 및 인장강도, 연신율 그리고 항복비 등이 모두 KS기준치를 만족하고 있는 것으로 나타났으며, 소성변형능력과 관련된 항복비의 경우 60%대의 결과를 나타내어 KS의 85% 이하의 적절한 결과를 나타내었다.
- (3)금속학적인 특성을 파악하기 위한 매크로 및 미크로 시험 결과에서는 강재의 특성에 영향을 미칠 수 있는 개재물 등의 불순물이나 균열이 관찰되지 않았으며, 조직의 결정상태 및 분포도 양호한 것으로 나타났다.
- (4)강재의 인성을 평가하기 위해 수행된 샤르피 충격 시험결과 모든 시험에서 KS규격에서 제한하는 플랜지 압연 방향 0℃ 27J이상의 결과를 나타내었다.
- (5)이상의 결과를 종합해볼 때 KS에서 요구되는 조건을 모두 만족하는 SHN400강재는 건축구조용 강재에 적절한 것 으로 판단된다.
- (1)화학성분 시험 결과 KS에서 요구하는 화학성분 제한을 모두 만족하는 것으로 나타났으며, 용접성과 관련된 탄소당량의 경우 평균 32. 9%로 기준치인 40%를 만족하는 결과를 나타내었다.
- 그리고, 구조물의 소성변형능력과 직접적인 관련이 있는 항복비의 경우 기준치인 85% 보다 낮은 60%대의 결과를 나타내었다. 또한, 비탄성 변형에 영향을 미치는 연신율 역시 기준치를 상회하는 결과를 나타내었다.
- 그리고 플랜지 두께가 50mm인 Atype단면을 제외한 나머지 단면의 경우 플랜지 충격치 결과는 -20℃ 조건에서도 27J 이상의 결과를 나타내고 있다. 따라서 SHN400강재는 요구되는 샤르피 충격 에너지를 만족하고 있는 것으로 나타났다.
- 따라서 SHN400은 건축구조용 강재에 요구되는 강도의 신뢰성(항복강도 상, 하한치)및 비탄성 변형능력(항복비, 연신율, 명확한 항복흐름)을 확보하고 있는 것으로 판단되며, 구조물의 내진설계 적용시 강재의 기계적 특성 측면에서 요구되는 설계 요구조건을 만족할 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 시험 결과에서는 시험편의 판두께가 제일 두꺼운 A type시험편에서 항복참이 다소 짧게 나타났으나, 모든 시험편에서 명확한 항복참이 관찰되었다(그림 4참조). 또한 인장 시험 종료 후 시험편의 파단 성상을 보면 시험편은 두께에 관계없이 콘 타입의 연성파괴 성상을 보이고 있다 (그림 5참조).
- SHN400강재의 미크로 조직시험 결과를 그림 9에 나타내었다. 시험결과 시편의 위치 및 판두께와 관계없이 모든 시험체는 별도의 내부 개재물이나 균열 없이 조밀성과 균질성을 나타내었다.
- 그림 7은 매크로 조직시험 결과를 나타낸 것이다. 시험결과 시험체의 전단면에 걸쳐 개재물 등의 불순물이 발견되지 않아 라미네이션 등의 우려가 없고 균질한 조직상태를 나타냈다. 특히, 플랜지 판두께가 50mm인 H-458x432series의 경우 판두께로 인하여 내부 개재물이 침착될 경우 라미네이션의 우려가 있을 수 있다.
- 표 6의 결과에서 보면 단면의 치수 및 판의 두께와 관계없이 모든 시험편의 인장시험 결과가 KS에서 정한 항복강도 상·하한치, 인장강도, 항복비, 연신율 등의 규격치를 모두 만족하는 것으로 나타났다. 재료 강도의 신뢰성과 관련된 항복강도의 상, 하한치 조건은 기준치에서 제시된 범위의 중간값(295MPa)보다 평균 항복강도(286.7MPa)가 낮게 나타났다.
- 특히, 강재의 강도, 용접성 및 경화와 관련된 탄소(C)값은 기준치 이하로 적절하게 관리되고 있는 것으로 나타났으며, 취성파괴 및 인성저하와 관련한 황(S)성분 및 Mn/S비율도 기준치보다 엄격하게 규제되고 있는 것으로 나타났다.
- SHN400강종의 충격치는 플랜지 압연 방향 샤르피 충격시험 결과를 기준으로 평가하도록 KS에 명시되어 있다. 표 10에서 보면 모든 시험체는 KS에서 규정된 기준치인 강재 시험온도 0℃에서의 샤르피 흡수에너지 27J을 만족하였다. 또한 KS에서는 규정하지 않았지만 웨브의 결과도 대부분 기준치인 0℃, 27J이상의 결과를 나타내었다.
- KSD 0001강재의 검사통칙에 의거하여 화학성분을 분석한 결과를 표 4에 나타내었다. 표 4의 결과를 보면 단면 규격 및 시편 체취 위치에 관계없이 모든 결과가 KS의 SHN400화학성분 규정치를 만족하는 것으로 나타났다.
- 분광분석기에 의해 파악된 SHN400시험편의 화학성분과 식(1)을 이용하여 산정한 탄소당량을 표 4에 나타내었다. 표 4의 결과에서 보면 모든 시험편에서 KS의 제한치인 탄소당량값 0.4이하의 결과를 나타내고 있으며, 평균값 0.32로 탄소당량 등급 구분에 의한 비교에서도 우수한(Excellent)결과를 나타내고 있음을 확인할 수 있다(Ginzburg, 2000).
- 표 6의 결과에서 보면 단면의 치수 및 판의 두께와 관계없이 모든 시험편의 인장시험 결과가 KS에서 정한 항복강도 상·하한치, 인장강도, 항복비, 연신율 등의 규격치를 모두 만족하는 것으로 나타났다.
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