[논문]소형펀치시험을 이용한 자동차용 고강도강 수소취성 평가

박재우; 강계명

doi:10.3740/mrsk.2012.22.1.029

[국내논문] 소형펀치시험을 이용한 자동차용 고강도강 수소취성 평가
Evaluation of Hydrogen Embrittlement of High Strength Steel for Automobiles by Small Punch Test 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.22 no.1, 2012년, pp.29 - 34

박재우 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 강계명 (서울과학기술대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The hydrogen embrittlement of high strength steel for automobiles was evaluated by small punch (SP) test. The test specimens were fabricated to be 5 series, having various chemical compositions according to the processes of heat treatment and working. Hydrogen charging was electrochemically conducted for each specimen with varying of current density and charging time. It was shown that the SP energy and the maximum load decreased with increasing hydrogen charging time in every specimen. SEM investigation results for the hydrogen containing samples showed that the fracture behavior was a mixed fracture mode having 50% dimples and 50% cleavages. However, the fracture mode of specimens with charging hydrogen changed gradually to the brittle fracture mode, compared to the mode of other materials. All sizes and numbers of dimples decreased with increasing hydrogen charging time. These results indicate that hydrogen embrittlement is the major cause of fracture for high strength steels for automobiles; also, it is shown that the small punch test is a valuable test method for hydrogen embrittlement of high strength sheet steels for automobiles.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

5 mm/min의 일정 부하속도로 하중을 가해 압입하중의 변화에 따른 압입깊이 변화를 측정하였다. SP시험은 최대펀치하중 P_max가 나타난 직후 실험을 종료하였고, SP시험 이후 시험편 파단면의 변형 및 파손 형태 관찰을 통해 DP강의 수소취화 특성을 보다 명확히 평가하고자 하였다.
또한 SP시험 후, 소성변형된 가공면을 SEM으로 비교·관찰하여, 수소장입조건에 따른 DP강의 수소취성 파괴거동을 해석하고자 하였다.
본 연구에서는 590 MPa급 자동차용 강판재의 수소주입에 따른 개발강판재의 수소취성을 정성적으로 평가하고자 하였다. 이는 경량화·고강도화에 따른 자동차의 안정성이 개발강판재의 수명과 밀접한 관계를 가지므로, 재료의 수소취성 파괴거동을 이해하고 나아가서는 예측 및 평가할 수 있는 시험기술과 정성적 수소취성 평가를 하고자 하였다.
본 연구에서는 자동차용 고강도 박강판재로 개발 중인 590 MPa급 DP강에 전기화학적 방법으로 수소를 강제 장입시켜 수소장입에 따른 수소취화 거동을 소형펀치시험을 통해 평가하였다.
이는 경량화·고강도화에 따른 자동차의 안정성이 개발강판재의 수명과 밀접한 관계를 가지므로, 재료의 수소취성 파괴거동을 이해하고 나아가서는 예측 및 평가할 수 있는 시험기술과 정성적 수소취성 평가를 하고자 하였다.

제안 방법

다른 하나는 최대변위로부터 파괴등가변형율을 측정하고 이로부터 탄소성파괴특성치인 JIC를 구하게 된다.¹¹⁾ 본 연구에서는 SP에너지를 측정하여 적용하였다.
각각의 시험편에 대해 상온 인장시험을 통해 인장특성을 평가하였고, 800°C에서의 오스테나이트 부피분율을 590DP 강의 화학적 조성, 기계적 특성과 함께 Table 1에 나타내었다.
1) 조성을 기준으로 하여 5 종의 시편을 합금 설계하였다. 각각의 합금은 Mo, Cr, B 그리고 Al을 변수로 하여 합금 설계하였다. 먼저 용해주조한 두께 50 mm의 잉곳을 1200°C에서 2 h 유지 후, 두께 2.
그리고 800°C에서 용체화처리 후 480°C에서 소둔처리하여 최종 시편을 제작하였다.
먼저 10 × 10 × 0.5 mm 크기의 시험편을 상부다이와 하부다이 사이에 위치시키고, 그 위에 HRC 62~67의 경도를 갖는 직경 2.4 mm의 강구를 놓은 뒤, 0.5 mm/min의 일정 부하속도로 하중을 가해 압입하중의 변화에 따른 압입깊이 변화를 측정하였다.
수소장입시킨 각각의 DP강 시험편의 수소장입조건에 따른 수소취화 정도를 평가하기 위하여, SP시험을 본 실험에 도입하였다. SP시험은 소형시험편의 물성평가 기술로서, 소형판상의 시험편에 하중을 가해 하중-변위 곡선을 얻고, 이를 해석하여 재료의 물성치를 얻는 시험법이다.
5 mol의 황산용액(H₂SO₄)을 사용하였으며, 양극에는 백금망(Pt)을, 음극에는 시험편을 연결하였다. 수소장입조건은 전류밀도 150mA/cm²의 일정한 전류밀도 조건하, 상온에서 각각 5시간, 10시간, 25시간, 50시간의 주입시간으로 설정하여 실험하였다. 이때 금속표면에서 일어나는 반응은 다음 식 (1)과 같다.
이는 경량화·고강도화에 따른 자동차의 안정성이 개발강판재의 수명과 밀접한 관계를 가지므로, 재료의 수소취성 파괴거동을 이해하고 나아가서는 예측 및 평가할 수 있는 시험기술과 정성적 수소취성 평가를 하고자 하였다. 이를 위하여 개발 중인 590 MPa급 DP강에 전기화학적 방법으로 수소를 강제 장입시키고, 수소장입된 DP강재의 수소취성 거동을 정성적으로 평가하고자 수소취성 평가시험으로 ASTM E 643 규격의 소형펀치(Small Punch, SP)시험하여 수소가 재료의 기계적 강도에 미치는 영향을 조사하였다. 또한 SP시험 후, 소성변형된 가공면을 SEM으로 비교·관찰하여, 수소장입조건에 따른 DP강의 수소취성 파괴거동을 해석하고자 하였다.
시험편은 와이어 절단으로 가로 10 mm, 세로 10 mm, 그리고 두께 1 mm의 박판으로 기계가공하여 준비하였다. 절단, 가공된 시험편은 연마지를 이용하여 0.5 mm 두께로 표면을 연마하여 최종 시험편으로 제작하였다. 제작한 시험편에 전기화학적 방법으로 Potentiostat/ Galvanostat 263A (EGANDG) 장비를 이용하여 수소가 재료 내부로 침투되도록 하였다.
5 mm 두께로 표면을 연마하여 최종 시험편으로 제작하였다. 제작한 시험편에 전기화학적 방법으로 Potentiostat/ Galvanostat 263A (EGANDG) 장비를 이용하여 수소가 재료 내부로 침투되도록 하였다. 이때 전해액으로는 0.
3 시험편에 대한 미시적 파단면을 나타내었다. 파단면의 관찰은 시편 스테이지를 틸팅하므로써 관찰하였다. 25h의 장입시간 시험편은 균열사이가 크지 않아 파면의 관찰이 제한적이었지만, 50h 시험편은 파단이 많이 진전되어 틸팅으로도 파단면을 관찰하는 것이 가능하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용한 시험편은 590 MPa급 DP강재로서, DP강의 합금 조성은 기본합금(No.1) 조성을 기준으로 하여 5 종의 시편을 합금 설계하였다. 각각의 합금은 Mo, Cr, B 그리고 Al을 변수로 하여 합금 설계하였다.
시험편은 와이어 절단으로 가로 10 mm, 세로 10 mm, 그리고 두께 1 mm의 박판으로 기계가공하여 준비하였다. 절단, 가공된 시험편은 연마지를 이용하여 0.
제작한 시험편에 전기화학적 방법으로 Potentiostat/ Galvanostat 263A (EGANDG) 장비를 이용하여 수소가 재료 내부로 침투되도록 하였다. 이때 전해액으로는 0.5 mol의 황산용액(H₂SO₄)을 사용하였으며, 양극에는 백금망(Pt)을, 음극에는 시험편을 연결하였다. 수소장입조건은 전류밀도 150mA/cm²의 일정한 전류밀도 조건하, 상온에서 각각 5시간, 10시간, 25시간, 50시간의 주입시간으로 설정하여 실험하였다.

이론/모형

1에 나타낸 바와 같이 시험편을 지지하는 상부다이(upper die)와 하부다이(lower die), 시험편에 하중을 부과하는 펀치(punch)와 강구(steel ball)로 구성되어 있다. SP시험은 ASTM E 643 규격에 준해 Instron 8516 만능재료시험기로서 실험하였다. 먼저 10 × 10 × 0.

성능/효과

Fig. 3(a)에 나타낸 하중-변위 곡선에서 곡선의 아래 면적으로 계산한 SP에너지는 기준합금인 No. 1보다는 인장강도와 항복강도가 가장 높았던 No. 5 시험편에서 SP에너지 역시 높았다. 그리고 다른 시험편에서도 기본합금보다 높은 SP에너지로 조사되었다.
25h의 장입시간 시험편은 균열사이가 크지 않아 파면의 관찰이 제한적이었지만, 50h 시험편은 파단이 많이 진전되어 틸팅으로도 파단면을 관찰하는 것이 가능하였다. 25h의 경우 많은 딤플을 관찰할 수 있었지만, 50h의 경우 25h의 시험편 보다 딤플의 수가 상당히 적어지며, 그 크기가 증가하는 것을 관찰하였다. 이는 계면으로부터 트랩되는 수소에 의해 생성된 수소화물이 재료의 취화를 일으키고, 단면의 감소를 보이며, 수소장입에 의해 재료의 파면이 취성파면의 형태로 나타난다고 보고된 Zhang 등의 연구 결과와 일치함을 보였다.
파단면의 관찰은 시편 스테이지를 틸팅하므로써 관찰하였다. 25h의 장입시간 시험편은 균열사이가 크지 않아 파면의 관찰이 제한적이었지만, 50h 시험편은 파단이 많이 진전되어 틸팅으로도 파단면을 관찰하는 것이 가능하였다. 25h의 경우 많은 딤플을 관찰할 수 있었지만, 50h의 경우 25h의 시험편 보다 딤플의 수가 상당히 적어지며, 그 크기가 증가하는 것을 관찰하였다.
하지만 장입시간이 25시간에서 50시간으로 증가함에 따라 더욱 많은 수소가 재료 내부로 침투확산되어질 것으로 예측할 수 있다. 50시간의 장입시간에서 전체적으로 P_max가 감소함을 관찰하였다. 이는 수소장입시간의 증가로 인해 수소장입량이 증가하고, 따라서 수소취화현상에 의한 인장강도의 저하가 나타난 것이라 판단된다.
0 kgf으로 크게 감소하는 것으로 나타났다. SEM으로 관찰된 파단면에서 전반에 걸쳐 딤플파면으로 조사되었고, 수소장입시간이 증가할수록 딤플의 수가 감소되고, 그 크기는 커지는 것으로 나타났다. 이는 재료 내에 트랩된 수소에 의한 수소화물의 영향으로 사료된다.
이는 재료 내에 트랩된 수소에 의한 수소화물의 영향으로 사료된다. 따라서 SP시험을 통한 고강도강재의 수소취성 평가는 정성적으로 평가될 수 있음을 확인할 수 있었다.
4 시험편에 대한 거시적인 모습으로 이들 시험편에 모두 거시적 균열을 관찰하였다. 또한, 이들 균열은 수소장입시간이 증가함에 따라서 균열은 더욱 현저하게 나타났고, 파단이 관찰되었다. 각각의 시험편에서의 파괴는 No.
각각의 시험편에 대해 상온 인장시험을 통해 인장특성을 평가하였고, 800°C에서의 오스테나이트 부피분율을 590DP 강의 화학적 조성, 기계적 특성과 함께 Table 1에 나타내었다. 불순물 원소를 첨가한 합금에서 더 높은 항복강도와 인장강도를 나타내었고 연신율은 감소하였다. 특히, 0.
이들의 상호작용에 의해서 항복거동이 크게 영향을 받게 된다. 이상온도영역(A₁~A₃)으로 가열 후, 급랭을 통하여 오스테나이트를 마르텐사이트로 변태시킴으로서 얻게 되므로 DP강의 특성상 초기 오스테나이트의 분율이 높은 No. 5 시험편이 열처리 후 가장 많은 마르텐사이트로 변태될 것으로 판단되며, 이로 인해 강도가 가장 높은 것으로 판단된다.
본 연구에서는 자동차용 고강도 박강판재로 개발 중인 590 MPa급 DP강에 전기화학적 방법으로 수소를 강제 장입시켜 수소장입에 따른 수소취화 거동을 소형펀치시험을 통해 평가하였다. 장입시간이 증가함에 따라서 장입되어진 수소가 재료 내에 트랩되어 SP에너지와 최대하중이 각각 412 kgf-mm에서 248 kgf-mm으로, 265.2 kgf에서 172.0 kgf으로 크게 감소하는 것으로 나타났다. SEM으로 관찰된 파단면에서 전반에 걸쳐 딤플파면으로 조사되었고, 수소장입시간이 증가할수록 딤플의 수가 감소되고, 그 크기는 커지는 것으로 나타났다.
불순물 원소를 첨가한 합금에서 더 높은 항복강도와 인장강도를 나타내었고 연신율은 감소하였다. 특히, 0.3 wt% Al인 No. 5 시험편은 가장 높은 항복강도와 인장강도로 조사되었지만 가장 낮은 연신율를 보였다. 이러한 결과는 800°C에서의 오스테나이트 부피분율에서 보듯이 No.
Table 3은 SP시험 결과에 따른 시험편별 장입시간에서의 최대변위와 최대하중을 나타낸 것이다. 표에서 보는 바와 같이, 모든 시편에서 최대하중 역시 SP에너지의 변화와 유사하게 수소장입시간이 증가함에 따라 점차적으로 감소하는 것으로 조사되었다. 하지만 최대하중점에서의 변위는 시험편 혹은 장입시간과는 밀접한 관계를 보이지 않았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	균열의 생성원인이 되는것은?	DP강은 이상의 우수한 기계적 특성을 갖지만, 열처리 과정이나 제품 제조공정 중 강재 내부로 침투된 수소가 대개 전위코어에 트랩되어 유동응력 감소에 그 인자로 작용을 하게 된다.1,2) 더욱이 수소는 균열의 생성원이 되어 균열성장을 촉진하게 되고, 인장강도 및 연신율의 감소를 유발하게 된다.
	DP강의 특징은?	DP강은 조직적으로 우수한 연성의 페라이트 기지 내에 약 5~20% 정도의 경질의 마르텐사이트 입자가 페라이트의 경계부에 미세하게 분산되어 있는 이상조직강으로서, A1과 A3의 이상온도영역으로 가열 후 급랭을 통하여 오스테나이트를 마르텐사이트로 변태시킴으로서 얻게 된다. 또한 항복점 강하 현상이 없는 연속항복거동을 보이며, 가공경화가 크고 열경화성이 우수하여 우수한 가공성과 높은 강도를 동시에 확보할 수 있는 특징을 가지고 있다.
	DP강은 어떤 강재인가?	최근 자동차용 고강도 강판재로 이상조직강(Dual Phase Steel, DP강)이 환경문제, 에너지 자원문제 및 안전성 향상에 우수한 강재로 부각되어, 이들 DP강에 관한 연구가 관심의 대상이 되고 있다. DP강은 조직적으로 우수한 연성의 페라이트 기지 내에 약 5~20% 정도의 경질의 마르텐사이트 입자가 페라이트의 경계부에 미세하게 분산되어 있는 이상조직강으로서, A1과 A3의 이상온도영역으로 가열 후 급랭을 통하여 오스테나이트를 마르텐사이트로 변태시킴으로서 얻게 된다. 또한 항복점 강하 현상이 없는 연속항복거동을 보이며, 가공경화가 크고 열경화성이 우수하여 우수한 가공성과 높은 강도를 동시에 확보할 수 있는 특징을 가지고 있다.

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T. Zhang, W. Y. Chu, K. W. Gao and L. J. Qiao, Mater. Sci. Eng., 347, 291 (2003).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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