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문제 정의
- 본 연구에서는 TMCP 공정조건의 조절을 통해 높은 변형능을 갖는 저탄소 베이나이트계 고강도강을 제조할 수 있었다. 압연조건에 관계없이 냉각시작온도가 높은 시편들은 적절한 양의 페라이트 형성과 함께 GB, DUB, LB/LM 등의 저온변태조직이 다양하게 형성되어 고강도와 함께 약 0.
- 본 연구에서는 제어압연과 가속냉각에 의한 TMCP 공정조건의 변화를 통해 다양한 저탄소 베이나이트계 고강도강 시편을 제조하고, 인장 및 충격 시험을 실시하여 높은 변형능과 고강도, 우수한 저온인성을 갖는 미세조직의 설계 방향을 제시하고자 하였다. 또한 미세조직 분석을 통해 TMCP 공정조건에 따른 미세조직의 형성과정을 이해하여 공정조건과 미세조직, 기계적 특성 사이의 상관관계를 고찰하였다.
제안 방법
- %)이며, Table 1의 압연 및 냉각 조건에 따라 6종류의 저탄소 베이나이트계 고강도강 시편이 제조되었다. 1,150 ℃에서 재가열 후 오스테나이트의 비재결정 영역(non-recrystallization region)에서 고 압하율로 압연함으로써 결정립 미세화 효과를 기대하였다.5,6) 마무리 압연은 오스테나이트단상 영역과 오스테나이트와 페라이트의 2상 영역의 두 온도에서 실시하였다.
- 제조된 시편들의 미세조직은 압연 판재의 옆면을 연마하고 2 % 나이탈 용액으로 에칭한 후 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다. 또한 미세조직 내에 형성된 페라이트와 저온변태조직을 구분하기 위하여 EBSD(electron back-scattered diffraction) 분석을 실시하였다. 이를 위하여 시편의 표면을 colloidal silica로 최종 연마하여 기계적 연마로 발생된 표면의 결함을 최소화하였다.
- 본 연구에서는 제어압연과 가속냉각에 의한 TMCP 공정조건의 변화를 통해 다양한 저탄소 베이나이트계 고강도강 시편을 제조하고, 인장 및 충격 시험을 실시하여 높은 변형능과 고강도, 우수한 저온인성을 갖는 미세조직의 설계 방향을 제시하고자 하였다. 또한 미세조직 분석을 통해 TMCP 공정조건에 따른 미세조직의 형성과정을 이해하여 공정조건과 미세조직, 기계적 특성 사이의 상관관계를 고찰하였다.
- 3 mm)을 가공한 후 10톤 용량의 Instron 시험기를 이용하여 5 mm/min의 crosshead 속도로 상온에서 실시하였다. 모든 시편들은 연속항복거동을 나타내어 응력-변형률 곡선으로부터 0.2 % offset한 유동응력을 항복강도로 사용하였다. 항복강도와 인장강도는 T-방향의 인장시험에서, 항복비와 균일연신율은 L-방향의 인장시험에서 각각 측정되었다.
- 또한 미세조직 내에 형성된 페라이트와 저온변태조직을 구분하기 위하여 EBSD(electron back-scattered diffraction) 분석을 실시하였다. 이를 위하여 시편의 표면을 colloidal silica로 최종 연마하여 기계적 연마로 발생된 표면의 결함을 최소화하였다. EBSD 분석은 FE-SEM 내에서 실시되었으며, Oxford 사에서 제공하는 HKL 소프트웨어를 사용하였다.
- 인장시험은 ASTM E8 표준시험법에 따라 판재의 압연방향(longitudinal direction, L-방향)과 수직방향(transverse direction, T-방향)으로 sub-size 봉상시편(표점거리 25.4 mm, 직경 6.3 mm)을 가공한 후 10톤 용량의 Instron 시험기를 이용하여 5 mm/min의 crosshead 속도로 상온에서 실시하였다. 모든 시편들은 연속항복거동을 나타내어 응력-변형률 곡선으로부터 0.
- 충격시험은 ASTM E23 시험법에 따라 10 × 10 × 55 mm의 Charpy V-notch(CVN) 시편으로 가공한 후 −196 +100 ℃의 온도 범위에서 실시하였다. 저온인성을 평가하기 위한 연성-취성 천이온도(ductile-brittle transition temperature, DBTT)는 hyperbolic tangent 피팅을 통해 상부 흡수에너지(upper-shelf energy, USE)와 하부 흡수에너지의 평균에 해당되는 에너지를 가지는 온도로 결정하였다.
- 제조된 시편들의 미세조직은 압연 판재의 옆면을 연마하고 2 % 나이탈 용액으로 에칭한 후 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다. 또한 미세조직 내에 형성된 페라이트와 저온변태조직을 구분하기 위하여 EBSD(electron back-scattered diffraction) 분석을 실시하였다.
- 2 % offset한 유동응력을 항복강도로 사용하였다. 항복강도와 인장강도는 T-방향의 인장시험에서, 항복비와 균일연신율은 L-방향의 인장시험에서 각각 측정되었다.
- 1에 베이나이트계 고강도강의 제조를 위한 TMCP 공정조건과 미세조직 형성과정을 도식적으로 나타내었다. 화학조성으로부터 계산된 재결정온도 이상에서 약 50 %의 압하율로 1차 압연을 실시하고, 재결정 정지온도(recrystallization stop temperature, RST)와 Ar3 온도 사이의 오스테나이트 비재결정 영역에서 2차 압연을 실시하여 오스테나이트 결정립을 충분히 미세화시켰다. 이후 오스테나이트와 페라이트의 2상 영역에서 3차 압연을 실시하기도 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 소재의 화학조성은 Fe-0.05C-0.25Si1.9Mn-0.95(Ni+Cr+Mo)-0.1(Nb+V+Ti)-0.001B(wt.%)이며, Table 1의 압연 및 냉각 조건에 따라 6종류의 저탄소 베이나이트계 고강도강 시편이 제조되었다. 1,150 ℃에서 재가열 후 오스테나이트의 비재결정 영역(non-recrystallization region)에서 고 압하율로 압연함으로써 결정립 미세화 효과를 기대하였다.
이론/모형
- 이를 위하여 시편의 표면을 colloidal silica로 최종 연마하여 기계적 연마로 발생된 표면의 결함을 최소화하였다. EBSD 분석은 FE-SEM 내에서 실시되었으며, Oxford 사에서 제공하는 HKL 소프트웨어를 사용하였다.
- 충격시험은 ASTM E23 시험법에 따라 10 × 10 × 55 mm의 Charpy V-notch(CVN) 시편으로 가공한 후 −196 +100 ℃의 온도 범위에서 실시하였다.
성능/효과
- LB와 LM 조직의 정확한 미세조직 구분을 위해서는 추가적인 투과전자현미경(TEM) 분석이 필요하다.1) 한편 2상 영역에서 형성된 페라이트들은 SEM 조직사진보다 EBSD 분석결과를 통해 보다 뚜렷하게 구분될 수 있다.7) 이들 페라이트들은 가속냉각 이전에 2상 영역에서 오스테나이트 결정립계나 내부의 변형띠(deformation band)에서 형성되기 때문에 대부분 고립된 형태의 미세한 결정립으로 나타난다(Fig.
- 일반적으로 높은 균일 연신율과 높은 가공경화지수를 갖는 재료는 낮은 항복비를 나타내는데, 낮은 항복비는 변형 경화능(strain hardening capacity)을 높여 유동응력과 관련된 균열개시 저항성(defect tolerance)을 증가시키며, 균열 선단에서의 소성변형을 감소시켜 연성 파괴에 대한 균열 저항성을 증가시키는 것으로 알려져 있다.3,8) 냉각조건 2로 제조된 시편들은 냉각조건 1로 제조된 시편들에 비해 페라이트의 부피분율은 높지만, LB나 LM과 같은 경한 저온변태조직이 많이 형성되어 높은 항복비와 낮은 균일연신 율을 나타내었다. 냉각조건 3으로 제조된 시편들은 냉각조건 2로 제조된 시편들에 비해 GB의 형성이 증가됨으로써 인장강도가 낮으며, 항복비는 조금 증가되고 균일 연신율은 약간 감소되었다.
- 0 %의 균일연신율은 strain-based design을 위한 최소 균일 연신율로 인식되고 있다.6,7) 본 연구에서 제조된 시편들은 모두 7.0~8.0 %의 우수한 균일연신율을 나타내었다. 한편 시편들의 항복비는 동일한 강도 수준에 크게 낮기 때문에 저탄소 베이나이트계 고강도강이 높은 변형능을 얻을 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다.
- 3,8) 냉각조건 2로 제조된 시편들은 냉각조건 1로 제조된 시편들에 비해 페라이트의 부피분율은 높지만, LB나 LM과 같은 경한 저온변태조직이 많이 형성되어 높은 항복비와 낮은 균일연신 율을 나타내었다. 냉각조건 3으로 제조된 시편들은 냉각조건 2로 제조된 시편들에 비해 GB의 형성이 증가됨으로써 인장강도가 낮으며, 항복비는 조금 증가되고 균일 연신율은 약간 감소되었다.
- 변형능을 평가하는데 사용되는 항복비와 균일연신율을 살펴보면, 냉간조건 1로 제조된 시편들은 약 0.7의 매우 낮은 항복비와 8.0 % 이상의 높은 균일연신율을 갖는 매우 우수한 변형능을 나타내었다. 일반적으로 높은 균일 연신율과 높은 가공경화지수를 갖는 재료는 낮은 항복비를 나타내는데, 낮은 항복비는 변형 경화능(strain hardening capacity)을 높여 유동응력과 관련된 균열개시 저항성(defect tolerance)을 증가시키며, 균열 선단에서의 소성변형을 감소시켜 연성 파괴에 대한 균열 저항성을 증가시키는 것으로 알려져 있다.
- 본 연구에서는 TMCP 공정조건의 조절을 통해 높은 변형능을 갖는 저탄소 베이나이트계 고강도강을 제조할 수 있었다. 압연조건에 관계없이 냉각시작온도가 높은 시편들은 적절한 양의 페라이트 형성과 함께 GB, DUB, LB/LM 등의 저온변태조직이 다양하게 형성되어 고강도와 함께 약 0.7의 낮은 항복비와 8.0 % 이상의 높은 균일연신율을 갖는 우수한 변형능을 나타내었다. 한편 냉각시작온도가 낮고, 냉각종료온도가 높은 시편들은 고경각 경계를 갖는 페라이트와 GB의 분율이 증가하고, DUB, LB/LM 등의 저온변태조직들이 형성됨으로써 페라이트와 저온변태조직의 경계 또는 저온변태조직들 사이의 경계에서 취성파괴에 의한 벽개균열의 전파가 저지되어 저온인성이 향상될 수 있었다.
- 한편 시편들의 항복비는 동일한 강도 수준에 크게 낮기 때문에 저탄소 베이나이트계 고강도강이 높은 변형능을 얻을 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다. 이를 통해 strain-based design에 적합한 저탄소 베이나이트계 고강도강을 제조하기 위해서는 적절한 합금설계와 함께 제어압연 후 2상 영역을 통과하여 미세한 페라이트를 형성시키고, 가속냉각을 통해 다양한 저온변태조직을 형성시켜야 함을 알 수 있었다.
- 0 % 이상의 높은 균일연신율을 갖는 우수한 변형능을 나타내었다. 한편 냉각시작온도가 낮고, 냉각종료온도가 높은 시편들은 고경각 경계를 갖는 페라이트와 GB의 분율이 증가하고, DUB, LB/LM 등의 저온변태조직들이 형성됨으로써 페라이트와 저온변태조직의 경계 또는 저온변태조직들 사이의 경계에서 취성파괴에 의한 벽개균열의 전파가 저지되어 저온인성이 향상될 수 있었다. 따라서 높은 변형능과 함께 고강도, 저온인성이 우수한 소재를 제조하기 위해서는 TMCP 공정조건의 조절을 통하여 적절한 양의 페라이트와 함께 다양한 저온변태조직을 형성시킬 필요가 있었다.
- 0 %의 우수한 균일연신율을 나타내었다. 한편 시편들의 항복비는 동일한 강도 수준에 크게 낮기 때문에 저탄소 베이나이트계 고강도강이 높은 변형능을 얻을 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다. 이를 통해 strain-based design에 적합한 저탄소 베이나이트계 고강도강을 제조하기 위해서는 적절한 합금설계와 함께 제어압연 후 2상 영역을 통과하여 미세한 페라이트를 형성시키고, 가속냉각을 통해 다양한 저온변태조직을 형성시켜야 함을 알 수 있었다.
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