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문제 정의
- 본 연구에서는 고강도 TRIP강의 수소주입에 따른 수소취성 및 지연파괴 거동을 평가하였다. 수소 주입시간이 증가함에 따라 수소주입량은 전류밀도 150 mA/cm2의 경우, 18 ppm에서 54 ppm으로 200 mA/cm2의 경우, 19 ppm에서 62 ppm으로 증가하였고, 수소주입량의 증가는 SP 시험시 최대하중과 변위량의 감소를 유발하였다.
제안 방법
- 최대펀치하중 Pmax가 나타난 직후 실험을 종료하였고, Origin 분석프로그램을 이용한 SP 에너지를 구하였다. SP시험 후, 시험편의 파단면 관찰은 FE-SEM(JEOL Ltd., JSM-6700F)으로 관찰하여 고강도 TRIP강의 수소취성 거동현상을 평가하고자 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 소성유기변태 마르텐사이트 상으로 구성된 고강도 TRIP강에 전기화학적 방법을 이용하여 강제로 수소를 주입시킨 후, 수소주 입량을 정량분석하였다. 수소정량분석된 TRIP강의 수소취성평가를 위하여 ASTM E 643 규격에 의거 하여 소형펀치(Small Punch) 시험하였고, SP시험후, 시험편의 형상 조사 및 시험편의 파단면 관찰을 실시하여 수소주입조건에 따른 고강도 TRIP강의 수소지연파괴거동을 조사, 평가하고자 하였다.
- 5 mol의황산수용액(H2 SO4)을 사용하였고 음극에 시험편을, 양극에 백금망을, 기준전극으로 은-염화은(Ag-AgCl) 기준전극을 연결하여 3분극 셀(Cell)을 구성하였다. 또한 수소주입은 전류밀도 150 mA/cm2 , 200 mA/ cm2 하에서 5시간, 10시간, 25시간, 50시간의 주입 시간에 따라 시험하였으며, 수소주입시험 직후 수소분석기(hydrogen analyzer, LECO, RH600)를 사용 하여 수소량을 정량분석하였다.
- 따라서 본 연구에서는 소성유기변태 마르텐사이트 상으로 구성된 고강도 TRIP강에 전기화학적 방법을 이용하여 강제로 수소를 주입시킨 후, 수소주 입량을 정량분석하였다. 수소정량분석된 TRIP강의 수소취성평가를 위하여 ASTM E 643 규격에 의거 하여 소형펀치(Small Punch) 시험하였고, SP시험후, 시험편의 형상 조사 및 시험편의 파단면 관찰을 실시하여 수소주입조건에 따른 고강도 TRIP강의 수소지연파괴거동을 조사, 평가하고자 하였다.
- 수소주입시킨 시험편의 SP 시험은 펀치(punch), 상부 및 하부 다이(die), 강구(steel ball)로 이루어진 SP 시험장치를 이용하여 시험편을 고정시켰고 네개의 나사로 상부 다이와 하부다이를 체결한 후, 만능인장시험기(Instron 8516)에 부착하여 시험하였다. SP 시험은 ASTM E 643 규격에 준하여 시험하였으며, SP 시험장치의 개략도와 실시험 사진을 그림 3에 각각 나타내었다.
- 본 연구에 사용된 시험재는 국내 P사에서 개발 중인 고강도 TRIP강재로서, 그 화학적 조성과 기계적 성질을 표 1에 나타내었고, TRIP강의 광학현미경 조직사진은 그림 1과 같다. 수소주입시험을 위하여 그림 2에 나타낸 바와 같은 수소주입용 시험 편을 제작, 가공하였다. TRIP강의 수소취성평가를 위한 수소주입시험은 앞서 발표된 논문에서 보고한 바와 같이 전기화학적 방법에 의한 시험장치로 수소를 강제 주입시켰다12).
- 5 mm/min 의 일정 부하속도로 펀치를 가압하여 SP 시험하였다. 최대펀치하중 Pmax가 나타난 직후 실험을 종료하였고, Origin 분석프로그램을 이용한 SP 에너지를 구하였다. SP시험 후, 시험편의 파단면 관찰은 FE-SEM(JEOL Ltd.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 시험재는 국내 P사에서 개발 중인 고강도 TRIP강재로서, 그 화학적 조성과 기계적 성질을 표 1에 나타내었고, TRIP강의 광학현미경 조직사진은 그림 1과 같다. 수소주입시험을 위하여 그림 2에 나타낸 바와 같은 수소주입용 시험 편을 제작, 가공하였다.
- 본 연구에서 사용된 강구는 지름 2.4 mm, HRC 50의 경도를 갖는 강구로서, 고정시킨 시험편 위에 강구를 올려놓고 0.5 mm/min 의 일정 부하속도로 펀치를 가압하여 SP 시험하였다.
- TRIP강의 수소취성평가를 위한 수소주입시험은 앞서 발표된 논문에서 보고한 바와 같이 전기화학적 방법에 의한 시험장치로 수소를 강제 주입시켰다12). 이때 전해액은 0.5 mol의황산수용액(H2 SO4)을 사용하였고 음극에 시험편을, 양극에 백금망을, 기준전극으로 은-염화은(Ag-AgCl) 기준전극을 연결하여 3분극 셀(Cell)을 구성하였다. 또한 수소주입은 전류밀도 150 mA/cm2 , 200 mA/ cm2 하에서 5시간, 10시간, 25시간, 50시간의 주입 시간에 따라 시험하였으며, 수소주입시험 직후 수소분석기(hydrogen analyzer, LECO, RH600)를 사용 하여 수소량을 정량분석하였다.
이론/모형
- 수소주입시킨 시험편의 SP 시험은 펀치(punch), 상부 및 하부 다이(die), 강구(steel ball)로 이루어진 SP 시험장치를 이용하여 시험편을 고정시켰고 네개의 나사로 상부 다이와 하부다이를 체결한 후, 만능인장시험기(Instron 8516)에 부착하여 시험하였다. SP 시험은 ASTM E 643 규격에 준하여 시험하였으며, SP 시험장치의 개략도와 실시험 사진을 그림 3에 각각 나타내었다. 본 연구에서 사용된 강구는 지름 2.
성능/효과
- 주입 수소량의 증가가 재료의 응력흡수에너지를 저하시키고 취성화 및지연파괴거동에 크게 기여하는 것을 확인할 수 있었다. SP시험 후 관찰한 시험편 bulb의 파단면은 수소주입시간이 증가함에 따라 딤플의 크기가 커지고 불균일한 분포를 보이는 것으로 나타났다. 고강도 TRIP강은 소성유기변태 마르텐사이트 상이 수소트랩 site로 작용하여 수소취성에 취약한 것으로 판단되었다.
- 이는 고강도 복합조직강인 TRIP강이 DP강에비하여 수소의 영향이 컸음을 알 수 있었다. 따라서 고강도-고인성강의 연구 개발시 수소취성평가가 고강도-고인성강의 상용화를 위한 환경과 강도 특성간 유관관계 지표임을 재차 확인할 수 있었다. 이는 Mao 등의 탄소성파괴 특성치인 JIC 를 구하여 파괴특성을 평가한 연구에서도 이를 설명하고 있다15).
- 수소 주입시간이 증가함에 따라 수소주입량은 전류밀도 150 mA/cm2의 경우, 18 ppm에서 54 ppm으로 200 mA/cm2의 경우, 19 ppm에서 62 ppm으로 증가하였고, 수소주입량의 증가는 SP 시험시 최대하중과 변위량의 감소를 유발하였다. 또한 SP 에너지 변화에 서도 두 전류밀도 조건하에서 수소주입시간이 5시간에서 50시간으로 증가함에 따라 431.41 kgf-mm 에서 298.34 kgf-mm로, 276.72 kgf-mm에서 2434.23 kgf-mm로 현저하게 나타났다. 주입 수소량의 증가가 재료의 응력흡수에너지를 저하시키고 취성화 및지연파괴거동에 크게 기여하는 것을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 고강도 TRIP강의 수소주입에 따른 수소취성 및 지연파괴 거동을 평가하였다. 수소 주입시간이 증가함에 따라 수소주입량은 전류밀도 150 mA/cm2의 경우, 18 ppm에서 54 ppm으로 200 mA/cm2의 경우, 19 ppm에서 62 ppm으로 증가하였고, 수소주입량의 증가는 SP 시험시 최대하중과 변위량의 감소를 유발하였다. 또한 SP 에너지 변화에 서도 두 전류밀도 조건하에서 수소주입시간이 5시간에서 50시간으로 증가함에 따라 431.
- 23 kgf-mm로 현저하게 나타났다. 주입 수소량의 증가가 재료의 응력흡수에너지를 저하시키고 취성화 및지연파괴거동에 크게 기여하는 것을 확인할 수 있었다. SP시험 후 관찰한 시험편 bulb의 파단면은 수소주입시간이 증가함에 따라 딤플의 크기가 커지고 불균일한 분포를 보이는 것으로 나타났다.
- mA/cm2 모두에서 bulb의 높이와 폭이 큰 것을 알수 있었다. 즉, 재료의 파괴인성인 응력흡수에너지의 감소에 따라 재료의 파괴거동이 취성화되는 경향을 보이는 것을 알 수 있었다. 이는 앞서 조사된 그림 5의 하중-변위곡선 결과와도 일치하는 것으로서 수소가 고강도 박강판재 TRIP강의 취성화 및 지연파괴에 크게 기여함을 알 수 있겠다.
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