선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 하지만 실제 철강재료의 파괴의 과정은 슬립면에서의 전위집적으로부터 벽개균열 형성이 시작되어 균열과 전위의 집적에 의한 균열의 진전에 의해 파괴가 발생한다. 따라서 본 연구에서는 Almond 등의 기구와 Smith 기구가 안고 있는 문제점들을 보안하고, 실제 철강 재료에 적용이 보고되는 Petch 기구로 본 시험편에서 나타나는 벽개파괴 거동을 설명하고자 하였다. Petch 식을 아래에 정리해 두었다.
- 본 연구에서는 경화능이 대폭 향상되어 미세한 탄화물을 가지는 하부 베이나이트와 마르텐사이트 조직의 SA508 Gr.4강에서 탄화물, 래스, 결정립 등의 다양한 미세조직적 인자가 벽개파괴거동에 미치는 영향을 연구하였다.
제안 방법
- 4점 굽힘시험과 인장시험을 통해 얻은 −196℃에서의 σnom과 σy를 이용하고 Griffiths와 Owen [10]이 얻은 이러한 기하학적 모양의 시편에 대한 응력분포 해석을 바탕으로 시편 노치에 의한 소성구속인자(plastic constraint factor)를 구하여 최종적으로 벽개파괴강도를 도출하였다[11].
- 따라서 래스 구조의 미세한 조직은 하부 베이나이트와 마르텐사이트의 복합조직임을 확인할 수 있었다. Fig. 4는 템퍼링 이후 시편(TS)의 탄화물을 탄소복제추출법을 활용하여 TEM으로 관찰하였다. 관찰된 탄화물은 래스 내부의 미세한 세멘타이트와 팩킷(packet) 또는 결정립 계면에 존재하는 상대적으로 조대한 M23C6 탄화물로 밝혀졌다.
- 광학현미경의 경우, 100~500배, 주사전자현미경의 경우, 1000~ 30000배의 배율에서 관찰하였으며, 주사전자현미경은 JSM-5600과 JSM-6500F을 이용하였다.
- 우선 결정립 크기가 벽개파괴에 미치는 영향을 살펴보기 위해 오스테나이트화 열처리 온도를 1100℃로 높였다. 다음으로는 하부 베이나이트와 마르텐사이트의 복합조직과 마르텐사이트 단일 조직에서의 벽개파괴거동을 비교하기 위해 900℃ 열처리 후 수냉 처리를 한 마르텐사이트 시험편을 제조하였고, 마지막으로 탄화물의 크기 영향을 살펴보기 위해 템퍼링을 수행한 시편과 그렇지 않은 시편을 각각 제조하였다. 각각의 시험편의 구분은 Table 1에 나타내었다.
- 미세조직적 인자를 변화시키기 위해 다양한 열처리 조건으로 실험을 진행하였다. 우선 결정립 크기가 벽개파괴에 미치는 영향을 살펴보기 위해 오스테나이트화 열처리 온도를 1100℃로 높였다.
- 벽개파괴강도는 Fig. 1에 나타낸 규격의 시편을 이용한 –196℃에서의 4점 굽힘시험(4 point bending test)과 인장시편을 이용한 항복강도 측정을 통해 얻었다.
- 5 cm 정도 크기의 시편을 기계적으로 연마한 후 2% 나이탈 용액을 이용하여 수십초간 부식시켰다. 부식된 시편에 탄소막을 증착한 후 과염소산(perchloric acid) 10~ 15%와 메탄올을 혼합한 전해액에서 약 5 V의 전압을 가하여 탄소막을 분리하였으며, 3 mm 지름의 구리격자(copper grid)로 탄소막을 걷어낸 후 거름종이 위에서 건조시켜 투과전자현미경 관찰을 행하였다. 박막시편은 약 80 µm 정도의 두께까지 기계적으로 연마한 후 디스크 커터(disk cutter)로 직경 3mm의 원판으로 만든 후 약 8% 과염소산에 92% 메탄올을 혼합시킨 용액을 이용하여 분사식 전해연마기 (twin jet electropolisher)로 전해연마하여 준비하였다.
- 시합금은 진공유도용해로를 활용하여 30 kg의 잉곳을 제조하였고, 이 잉곳은 단조와 절단을 거쳐 150 mm × 70 mm × 35 mm 크기의 블록시편으로 가공되었다. 블록시편의 열처리는 원자로 압력용기용 강의 통상 열처리 조건에 따라 시행되었다. 1150℃에서 12시간 동안 균질화 열처리 후, 900℃에서 1시간 동안 오스테나이트화 열처리를 하고, 20℃/min의 냉각속도로 냉각하였다.
- 미세조직적 인자를 변화시키기 위해 다양한 열처리 조건으로 실험을 진행하였다. 우선 결정립 크기가 벽개파괴에 미치는 영향을 살펴보기 위해 오스테나이트화 열처리 온도를 1100℃로 높였다. 다음으로는 하부 베이나이트와 마르텐사이트의 복합조직과 마르텐사이트 단일 조직에서의 벽개파괴거동을 비교하기 위해 900℃ 열처리 후 수냉 처리를 한 마르텐사이트 시험편을 제조하였고, 마지막으로 탄화물의 크기 영향을 살펴보기 위해 템퍼링을 수행한 시편과 그렇지 않은 시편을 각각 제조하였다.
- 위의 과정으로 얻어진 템퍼링 전후의 시편을 대상으로 광학현미경(optical microscopy, OM), 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM), 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM)을 이용하여 미세조직 관찰을 행하였다. 광학 현미경과 주사전자현미경 관찰을 위한 시편은 기계적 연마 후 2% 나이탈(nital) 용액 또는 Villela 에칭액 (1g picric 산 + 5 ml 염산 + 95 ml 에탄올)에서 수초~수십초간 부식시켜 마련하였다.
대상 데이터
- 4는 템퍼링 이후 시편(TS)의 탄화물을 탄소복제추출법을 활용하여 TEM으로 관찰하였다. 관찰된 탄화물은 래스 내부의 미세한 세멘타이트와 팩킷(packet) 또는 결정립 계면에 존재하는 상대적으로 조대한 M23C6 탄화물로 밝혀졌다. 결국 시합금은 오스테나이트화 열처리 후 래스 내부에 미세한 세멘타이트가 존재하는 하부 베이나이트와 마르텐사이트의 복합조직을 나타내고, 템퍼링 열처리 후, 래스 내부에 미세한 세멘타이트가 존재하고, 결정립 또는 팩킷 경계에 상대적으로 조대한 M23C6 탄화물이 존재하는 템퍼드 베이나이트와 마르 텐사이트 조직을 가지는 것으로 확인되었다.
- 본 연구에 사용된 시합금의 화학조성은 Fe-0.19C-0.3Mn-3.5Ni-0.49Mo-1.8Cr-0.19Si-0.002Al(wt.%)으로 이는 SA508 Gr.4N 강의 합금조성과 유사하다. 시합금은 진공유도용해로를 활용하여 30 kg의 잉곳을 제조하였고, 이 잉곳은 단조와 절단을 거쳐 150 mm × 70 mm × 35 mm 크기의 블록시편으로 가공되었다.
- 시합금은 진공유도용해로를 활용하여 30 kg의 잉곳을 제조하였고, 이 잉곳은 단조와 절단을 거쳐 150 mm × 70 mm × 35 mm 크기의 블록시편으로 가공되었다.
- 박막시편은 약 80 µm 정도의 두께까지 기계적으로 연마한 후 디스크 커터(disk cutter)로 직경 3mm의 원판으로 만든 후 약 8% 과염소산에 92% 메탄올을 혼합시킨 용액을 이용하여 분사식 전해연마기 (twin jet electropolisher)로 전해연마하여 준비하였다. 투과전자현미경 관찰은 200kV의 JEM-200CX을 주로 사용하였다.
- 투과전자현미경 관찰은 탄소박막 추출복제법(carbon replica)과 박막법(thin foil)으로 마련한 시편을 사용하였다. 탄소박막 추출복제 시편의 제작과 정은 다음과 같다.
이론/모형
- 시합금의 결정립 크기는 ASTM E112에 준하여 교차점 돗수법(intercept method)으로 측정하였다.
- 이는 재료가 외부응력을 받는 동안 내부에서 전위집적 등으로 인한 내부 응력 작용될 수 있음을 예상할 수 있다. 이에 전위집적기구로 총칭되는 Almond 등의 기구[13], Smith 기구[14], Petch 기구[9] 등의 적용을 검토하였다. 먼저 Almond 등은 페라이트 슬립밴드(slip band)에 의해 생성된 탄화물의 균열 앞쪽으로 형성되는 새로운 페라이트 균열이 진행되는 응력을 구하였다.
성능/효과
- 1. Ni과 Cr의 첨가를 통해 경화능이 향상된 NiMo-Cr계 강은 미세한 하부 베이나이트/마르텐사이트 복합조직을 나타내었고, 템퍼링 이후 래스 내부의 미세한 세멘타이트와 결정립 및 팩킷 경계에 상대적으로 조대한 M23C6이 존재하였다.
- 2. 미세한 탄화물을 포함하는 하부 베이나이트/마르텐사이트 강재에서 탄화물의 크기를 벽개균열의 단위 크기로 설정하여 Griffith 모델로 계산한 벽개파괴강도는 실제 측정되는 벽개파괴강도보다 훨씬 크게 예측되었으며, 그러한 두 벽개파괴강도의 차이로부터 전위집적이 실제 벽개파괴에 영향을 미칠 수 있음을 간접적으로 확인할 수 있었다.
- 3. 미세한 탄화물을 포함하는 하부 베이나이트/마르텐사이트 강재에서 벽개파괴강도는 전위 집적의 영향을 함께 고려한 Petch 기구로 매우 정확하게 예측되었다.
- 이 부분에 대해서는 향후 보다 상세한 추가 연구가 필요할 것으로 생각된다. 결과적으로 본 연구에서의 Ni-Mo-Cr 계 복합조직 강처럼 탄화물의 크기가 매우 미세하여 modified Griffith 기구로 벽개파괴강도를 예측하기 힘든 경우 전위 집적의 영향을 함께 고려한 Petch 기구로 설명할 수 있었다.
- 결국 시합금은 오스테나이트화 열처리 후 래스 내부에 미세한 세멘타이트가 존재하는 하부 베이나이트와 마르텐사이트의 복합조직을 나타내고, 템퍼링 열처리 후, 래스 내부에 미세한 세멘타이트가 존재하고, 결정립 또는 팩킷 경계에 상대적으로 조대한 M23C6 탄화물이 존재하는 템퍼드 베이나이트와 마르 텐사이트 조직을 가지는 것으로 확인되었다.
- 템퍼링 후의 벽개파괴강도는 템퍼링 전에 비해 전반적으로 하향되었고, 템퍼드 마르텐사이트의 벽개파괴강도는 템퍼링 전후 시편의 중간정도로 나타났고, 벽개파괴강도는 결정립 크기와는 무관함을 알 수 있었다. 균열의 가능성 있는 미세조직 인자인 탄화물을 균열크기로 설정하여 modified Griffith 관계식으로 계산한 결과는 측정한 벽개파괴강도와는 큰 차이를 보였다. 템퍼링 전 시편인 US와 ULS에서는 내부 세멘타이트를 균열크기로 설정하면 약 6500 MPa 수준으로 계산되고, 템퍼링 후 시편인 TS와 TLS에서는 가장 조대한 M23C6 탄화물을 균열크기로 설정하면 약 3900 MPa의 벽개파괴강도가 계산된다.
- 7에는 본 연구에 사용된 NiMo-Cr계 복합조직 강 뿐만 아니라, 기존 문헌[7, 8]에서 보고된 다양한 미세조직에 대한 연구결과에도 Petch 기구를 적용한 계산결과를 함께 나타내었다. 다양한 미세조직에서도 상당히 신뢰성 있는 계산 결과를 보여주는 것을 확인할 수 있었다. 비록 일반적으로 저경각 입계(low angle boundary)로 여겨지는 래스에 의한 전위 집적 효과는 미미한 정도로 알려져 있지만[15,16], Naylor와 Daigne 등[17, 18]은 저탄소 Mn-Cr 강 및 템퍼드 마르텐사이트 강에서 래스에서의 전위 집적이 강도 증가에 기여한다고 보고하였다.
- 또한 내부에 세멘타이트가 존재하지 않는 래스의 존재도 관찰되었다. 따라서 래스 구조의 미세한 조직은 하부 베이나이트와 마르텐사이트의 복합조직임을 확인할 수 있었다. Fig.
- 2에 나타내었다. 미세조직은 매우 미세한 래스 조직으로 구성되어 있음을 확인할 수 있었고, 템퍼링 전후 시편의 미세조직은 유사한 것으로 관찰되었다. Fig.
- 템퍼드 마르텐사이트 시편에서는 약 5000 MPa의 벽개파괴강도를 얻었다. 비록 벽개파괴강도의 경향성, 즉 템퍼링 전 복합조직 벽개파괴강도, 그 다음 템퍼드 마르텐사이트 벽개파괴강도, 템퍼링 후 복합조직 벽개파괴강도 순으로 낮아지는 경향성은 측정치와 유사하더라도, 계산치와 측정치 사이에는 큰 차이가 나타났다. 이러한 사실은 본 연구 이전부터 이미 여러 차례 보고되었다[7, 8, 12].
- 결정립 크기는 약 30 µm, 팩킷 크기는 약 14 µm 수준으로 관찰되었다. 오스테나이트 결정립 크기를 키운 ULS, TLS의 시편의 미세조직은 결정립 및 팩킷 크기를 제외하고는 LS, TS의 미세조직과 유사하게 관찰되었다. 결정립 크기는 100 µm, 팩킷 크기는 50 mm 수준으로 나타났다.
- 이들 모두는 전위 집적의 기본 미세구조인자로 래스의 가능성을 보고하고 있으며, 본 연구의 Ni-Mo-Cr 계 복합조직 강에서도 래스 경계의 탄화물 등 존재하는 등의 그경계 조건이 변할 경우, 래스의 특성이 바뀔 수 있음을 나타내는 것이라 할 수 있다.
- 템퍼드 마르텐사이트의 경우는 템퍼링 전과 후의 벽개파괴강도의 중간 수준인 2700 MPa 정도로 나타났다. 템퍼링 후의 벽개파괴강도는 템퍼링 전에 비해 전반적으로 하향되었고, 템퍼드 마르텐사이트의 벽개파괴강도는 템퍼링 전후 시편의 중간정도로 나타났고, 벽개파괴강도는 결정립 크기와는 무관함을 알 수 있었다. 균열의 가능성 있는 미세조직 인자인 탄화물을 균열크기로 설정하여 modified Griffith 관계식으로 계산한 결과는 측정한 벽개파괴강도와는 큰 차이를 보였다.
후속연구
- 이들 모두는 전위 집적의 기본 미세구조인자로 래스의 가능성을 보고하고 있으며, 본 연구의 Ni-Mo-Cr 계 복합조직 강에서도 래스 경계의 탄화물 등 존재하는 등의 그경계 조건이 변할 경우, 래스의 특성이 바뀔 수 있음을 나타내는 것이라 할 수 있다. 이 부분에 대해서는 향후 보다 상세한 추가 연구가 필요할 것으로 생각된다. 결과적으로 본 연구에서의 Ni-Mo-Cr 계 복합조직 강처럼 탄화물의 크기가 매우 미세하여 modified Griffith 기구로 벽개파괴강도를 예측하기 힘든 경우 전위 집적의 영향을 함께 고려한 Petch 기구로 설명할 수 있었다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.