[논문]오스테나이트계 Fe-18Cr-10Mn-2Ni 합금의 연성-취성 천이 거동에 미치는 침입형 원소의 영향

황병철

doi:10.3740/mrsk.2013.23.11.649

오스테나이트계 Fe-18Cr-10Mn-2Ni 합금의 연성-취성 천이 거동에 미치는 침입형 원소의 영향
Effect of Interstitial Elements on Ductile-Brittle Transition Behavior of Austenitic Fe-18Cr-10Mn-2Ni Alloys 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.23 no.11, 2013년, pp.649 - 654

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of interstitial elements on the ductile-brittle transition behavior of austenitic Fe-18Cr-10Mn-2Ni alloys with different nitrogen and carbon contents was investigated in this study. All the alloys exhibited ductile-brittle transition behavior because of unusual low-temperature brittle fracture, even though they have a faced-centered cubic structure. With the same interstitial content, the combined addition of nitrogen and carbon, compared to the sole addition of nitrogen, improved the low-temperature toughness and thus decreased the ductile-brittle transition temperature (DBTT) because this combined addition effectively enhances the metallic component of the interatomic bonds and is accompanied by good plasticity and toughness due to the increased free electron concentration. The increase in carbon content or of the carbon-to-nitrogen ratio, however, could increase the DBTT since either of these causes the occurrence of intergranular fracture that lead to the deterioration of the toughness at low temperatures. The secondary ion mass spectroscopy analysis results for the observation of carbon and nitrogen distributions confirms that the carbon and nitrogen atoms were significantly segregated to the austenite grain boundaries and then caused grain boundary embrittlement. In order to successfully develop austenitic Fe-Cr-Mn alloys for low-temperature application, therefore, more systematic study is required to determine the optimum content and ratio of carbon and nitrogen in terms of free electron concentration and grain boundary embrittlement.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

^11-13) 그러나 질소와 탄소를 복합 첨가한 HIA의 연성-취성 천이 거동과 취성 파괴 기구에 대한 연구는 아직까지 많이 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 시험 온도별 충격 시험과 파면 분석을 통해 다양한 함량의 질소와 탄소를 갖는 HIA의 연성-취성 천이 거동과 취성 파괴 기구를 분석하고 이에 미치는 침입형 원소의 영향을 체계적으로 고찰해 보고자 하였다.

가설 설정

^1,3,6) 그러나 오스테나이트계 Fe-Cr-Mn-N 합금의 경우 면심 입방정 구조의 합금에서 나타나지 않는 연성-취성 천이 거동이 자주 나타나 첨가되는 질소 함량에 제약이 있는 실정이다.^1,2) 실제로 오스테나이트계 Fe-Cr-Mn-N 합금의 DBTT는 질소 함량에 크게 의존한다. 잘 알려진 경험식(DBTT (℃) = 300[%N] −303)에 따르면,¹³⁾ 오스테나이트계 Fe-Cr-MnN 합금이 −20 ℃ 이하의 온도에서 사용되기 위해서는 질소 함량이 0.

제안 방법

균일한 오스테나이트 단상 조직을 얻기 위하여 열역학 계산 결과로부터 얻어진 평형 상태도에 기초하여 적절한 온도를 설정한 후 1,100~1,230 ℃ 온도에서 30 분간 용체화 처리하였다. 각 시편들의 미세조직은 염산 30 ml + 질산 20 ml + 에탄올 50 ml 용액으로 에칭한 후 광학현미경과 EBSD(electron back-scattered diffraction)로 관찰하였다. 시편들 중 0.
이들은 일정한 질소 분압하에서 진공 유도용해로를 이용하여 제조한 후 12 mm 두께로 열간 압연하였다. 균일한 오스테나이트 단상 조직을 얻기 위하여 열역학 계산 결과로부터 얻어진 평형 상태도에 기초하여 적절한 온도를 설정한 후 1,100~1,230 ℃ 온도에서 30 분간 용체화 처리하였다. 각 시편들의 미세조직은 염산 30 ml + 질산 20 ml + 에탄올 50 ml 용액으로 에칭한 후 광학현미경과 EBSD(electron back-scattered diffraction)로 관찰하였다.
충격 시험 후 −196 ℃, −120 ℃, +25 ℃(상온) 에서 파괴된 시편의 파면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다. 또한 SIMS(secondary ion mass spectroscopy, model: Nano-SIMS 50, CAMECA)를 이용하여 미세조직 내 질소와 탄소 원자들의 분포를 관찰하였다. Nano-SIMS는 탐침 역학을 하는 1차 이온을 50 nm 이하로 집속시켜 고체 표면을 고해상도로 관찰할 수 있는 장비이다.
시편들의 취성 파괴 양상을 비교하기 위해 −196 ℃에서 시험된 충격 시편들의 파면을 관찰하였다.
충격 시험은 ASTM E23 표준 시험법에 따라 10 × 10 × 55 mm의 Charpy V-notch 충격 시편으로 가공한 후 −196 ℃~ +100 ℃의 온도 범위에서 실시하였다. 연성-취성 천이 온도(DBTT, ductile-brittle transition temperature)는 hyperbolic tangent fitting을 통해 상부 흡수에너지(USE, upper-shelf energy)와 하부 흡수에너지의 평균에 해당되는 에너지를 가지는 온도로 결정하였다. 충격 시험 후 −196 ℃, −120 ℃, +25 ℃(상온) 에서 파괴된 시편의 파면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다.
충격 시험 후 −196 ℃, −120 ℃, +25 ℃(상온) 에서 파괴된 시편의 파면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 재료는 질소와 탄소의 함량이 각기 다른 4 종류의 Fe-18Cr-10Mn-2Ni 합금이다(Table 1). 이들은 일정한 질소 분압하에서 진공 유도용해로를 이용하여 제조한 후 12 mm 두께로 열간 압연하였다.
^3,15) 그들이 제안한 경험식(DBTT (℃) = 300[%N] +100[%C] −303⁾에 따르면, 질소와 탄소의 함량이 높아질 수록 DBTT가 모두 증가되며, 탄소는 질소에 비해 그 영향력이 1/3 정도이다. 본 연구에서 제조된 오스테나이트계 Fe-18Cr-10Mn-2Ni 합금과 함께 문헌에서 얻어진 오스테나이트계 Fe-Cr-Mn 합금의 DBTT를 위의 경험식으로부터 계산된 DBTT와 비교하여 Fig. 4에 나타내었다.^12-14) 대부분의 결과들은 질소나 탄소 함량에 비례하여 측정된 DBTT가 모두 증가함으로써 계산된 DBTT와 직선적인 상관관계를 잘 만족하였다.
오스테나이트계 Fe-18Cr-10Mn-2Ni 합금의 미세조직을 광학현미경과 EBSD로 관찰하여 Fig. 1에 나타내었다. 모든 시편들은 용체화 처리에 의한 어닐링 쌍정들이 나타나 오스테나이트 단상 조직을 가지는 것을 알 수 있었다.

이론/모형

충격 시험은 ASTM E23 표준 시험법에 따라 10 × 10 × 55 mm의 Charpy V-notch 충격 시편으로 가공한 후 −196 ℃~ +100 ℃의 온도 범위에서 실시하였다.

성능/효과

시편들의 취성 파괴 양상을 비교하기 위해 −196 ℃에서 시험된 충격 시편들의 파면을 관찰하였다. 0.6N과 0.4N-0.2C 시편들은 딤플을 일부 포함하는 연성 파괴 영역과 함께 입내 형태의 취성 파면이 나타난 반면, 0.4N-0.4C나 0.4N-0.6C 시편들은 전형적인 입계(intergranular) 형태의 파괴 양상을 나타내었다. 0.
따라서 AISI 200계열(Fe-NiMn-N) 합금이나 고질소강이 갖는 Lean Alloy 개념(Ni, Cr, Mo 등 고가의 합금원소 이용을 줄이거나 저가원소로 대체)을 구현하면서도 제조공정 자체에서도 가압 공정을 배제할 수 있는 새로운 패러다임의 전환이 침입형 원소인 질소와 탄소를 복합 첨가한 고침입형 합금(HIA, high-interstitial alloy)의 개발을 통해 시도되었다.^2,4-6) HIA는 질소와 함께 또 다른 침입형 원소인 탄소를 추가적으로 활용하기 때문에 HNS와 비교할 때 가압 공정을 거치지 않고도 안정된 오스테나이트 기지조직을 확보할 수 있고, 첨가되는 두 침입형 원소의 함량이나 비에 따라 강도, 연성, 내식성, 저온인성, 내마모성 등 다양한 물성을 구현할 수 있는 장점이 있다.^7-10)
모든 시편들은 시험 온도가 낮아짐에 따라 충격 흡수에너지가 특정한 온도 구간에서 뚜렷하게 감소하는 전형적인 연성-취성 천이 거동을 나타내었다. HIA의 상부 흡수에너지는 HNS보다 높지만, 탄소 함량이 높아질수록 대체로 감소하였다. 같은 침입형 원소 함량을 가진 시편들(0.
2C 시편)에서 HIA는 저온에서 충격 파괴 시 연성 파괴 영역이 상대적으로 많아 HNS보다 높은 흡수에너지와 낮은 DBTT를 나타낸다. 그러나 HIA에서 탄소 함량이 상대적으로 높은 0.4N-0.4C와 0.4N-0.6C 시편들은 저온에서 일어나는 상당량의 입계 파괴로 인해 0.4N-0.2C 시편보다 흡수에너지가 낮으며, 탄소 함량이 높아질수록 DBTT 가 증가되었다(Fig. 2).
2에 나타내었다. 모든 시편들은 시험 온도가 낮아짐에 따라 충격 흡수에너지가 특정한 온도 구간에서 뚜렷하게 감소하는 전형적인 연성-취성 천이 거동을 나타내었다. HIA의 상부 흡수에너지는 HNS보다 높지만, 탄소 함량이 높아질수록 대체로 감소하였다.
1에 나타내었다. 모든 시편들은 용체화 처리에 의한 어닐링 쌍정들이 나타나 오스테나이트 단상 조직을 가지는 것을 알 수 있었다. 시험 온도에 따른 충격 흡수에너지를 Fig.
오스테나이트계 Fe-18Cr-10Mn-2Ni 합금에 대한 질소와 탄소의 복합 첨가는 질소나 탄소의 단독 첨가에 비해 자유전자 농도 증가에 의한 금속성 결합이 강화되어 저온인성이 향상되고, DBTT가 낮아지는 것으로 확인되었다. 그러나 질소와 탄소가 복합 첨가된 HIA에서 일정량 이상의 탄소 첨가는 탄소나 질소의 결정립계 편석으로 인해 입계 파괴가 야기됨으로써 저온인성이 저하되고, DBTT가 높아질 수 있다.

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B. Hwang, T-H. Lee, S-J. Park, C-S. Oh, S-J. Kim, Mater. Sci. Eng., A, 528, 7257 (2011).

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저자의 다른 논문 :

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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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