LNG선이나 해양플랜트 같은 설비나 구조물은 작동 조건을 고려할 때, 특히 부재마다 가지는 고유한 연성 취성천이온도(Ductile to Brittle Transition Temperature, DBTT)를 고려하여 설계되어야 한다. 본 연구에서는 해양플랜트 및 LNG선에 hull plate로 쓰이는 A-grade 연강(mild steel)에 대해 DBTT를 샤르피 V-노치(CVN) 실험을 통해 알아보았고 파괴형상을 통한 파괴거동을 살펴보았다. 그 결과 온도가 감소함에 따라 충격 흡수에너지는 감소함을 보였다. Upper shelf energy region과 lower shelf energy region이 나타나고 그 사이 구간의 천이점을 통해 DBTT가 결정되었다. 파괴형상에서는 upper shelf energy region에서 수많은 딤플이 연성파괴 형상으로 관찰되고 lower shelf energy region에서는 전형적인 취성파단형상이 관찰되었다. 이를 통해 BCC 구조를 가지는 A-grade 연강은 upper shelf energy 구역과 lower shelf energy구역을 보이고 그 사이 구간의 천이점에서 급격하게 온도가 떨어지는 DBTT구간을 뚜렷하게 보이는 특성을 알 수 있었다.
LNG선이나 해양플랜트 같은 설비나 구조물은 작동 조건을 고려할 때, 특히 부재마다 가지는 고유한 연성 취성천이온도(Ductile to Brittle Transition Temperature, DBTT)를 고려하여 설계되어야 한다. 본 연구에서는 해양플랜트 및 LNG선에 hull plate로 쓰이는 A-grade 연강(mild steel)에 대해 DBTT를 샤르피 V-노치(CVN) 실험을 통해 알아보았고 파괴형상을 통한 파괴거동을 살펴보았다. 그 결과 온도가 감소함에 따라 충격 흡수에너지는 감소함을 보였다. Upper shelf energy region과 lower shelf energy region이 나타나고 그 사이 구간의 천이점을 통해 DBTT가 결정되었다. 파괴형상에서는 upper shelf energy region에서 수많은 딤플이 연성파괴 형상으로 관찰되고 lower shelf energy region에서는 전형적인 취성파단형상이 관찰되었다. 이를 통해 BCC 구조를 가지는 A-grade 연강은 upper shelf energy 구역과 lower shelf energy구역을 보이고 그 사이 구간의 천이점에서 급격하게 온도가 떨어지는 DBTT구간을 뚜렷하게 보이는 특성을 알 수 있었다.
Considering for plants and structure under extreme conditions is required for the successful design, especially temperature and pressure. The ductile-brittle transition temperature (DBTT) for the materials under extreme condition needs to be considered. In this study, A-grade mild steel for the LNG ...
Considering for plants and structure under extreme conditions is required for the successful design, especially temperature and pressure. The ductile-brittle transition temperature (DBTT) for the materials under extreme condition needs to be considered. In this study, A-grade mild steel for the LNG carrier and offshore plant was examined by performing low-temperature Charpy V-notch (CVN) impact tests to investigate DBTT and the fracture toughness. The absorbed energy decreased gradually with the experimental temperature, which showed an upper-shelf energy region, lower shelf energy region, and transition temperature indicating DBTT. In addition, the fracture surface morphologies of the mild steels indicated ductile fractures at the upper-shelf energy level, with wide and large-sized dimples, whereas a brittle fracture surface, where was observed at the lower-shelf energy level, with both large and small cleavage facets. Based on the experimental results, ductile brittle transition temperature was estimated in about $-60^{\circ}C$.
Considering for plants and structure under extreme conditions is required for the successful design, especially temperature and pressure. The ductile-brittle transition temperature (DBTT) for the materials under extreme condition needs to be considered. In this study, A-grade mild steel for the LNG carrier and offshore plant was examined by performing low-temperature Charpy V-notch (CVN) impact tests to investigate DBTT and the fracture toughness. The absorbed energy decreased gradually with the experimental temperature, which showed an upper-shelf energy region, lower shelf energy region, and transition temperature indicating DBTT. In addition, the fracture surface morphologies of the mild steels indicated ductile fractures at the upper-shelf energy level, with wide and large-sized dimples, whereas a brittle fracture surface, where was observed at the lower-shelf energy level, with both large and small cleavage facets. Based on the experimental results, ductile brittle transition temperature was estimated in about $-60^{\circ}C$.
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문제 정의
본 연구에서는 해양플랜트 및 LNG선에 hull plate 로 쓰이는 A-grade 연강에 대해 DBTT를 알아보고 파괴형상을 통한 파괴거동을 알아보고자 한다.
제안 방법
는 CVN테스트 동안 흡수된 에너지, M은 진자의 질량, R은 시편의 길이, α 낙하각도, β 는 시편이 절단된 후 진자해머가 회전한 각도, g는 중력가속도를 나타낸다. 본 시험에서는 대상 강재에 대해 CVN 실험을 실시하여 환경온도별 충격 흡수에너지 값에 따른 DBTT의 양상을 알아보았다. 또한 온도에 따른 재료의 파단형상을 미시적 관점에서 온도에 따른 재료의 파단 거동을 관찰하여 분석 결과를 뒷받침하였다.
본 연구에서는 해양플랜트 및 LNG선에 쓰이는 A-grade 연강에 대해 DBTT를 알아보고 파괴형상을 통한 파괴거동을 알아보았다. 온도에 따른 충격 흡수 에너지를 알아보고자 CVN실험을 수행하여 재료의 거동을 알아보았고 재료의 파단면 형상을 미시적 관점에서 분석하였다.
본 연구에서는 해양플랜트 및 LNG선에 쓰이는 A-grade 연강에 대해 DBTT를 알아보고 파괴형상을 통한 파괴거동을 알아보았다. 온도에 따른 충격 흡수 에너지를 알아보고자 CVN실험을 수행하여 재료의 거동을 알아보았고 재료의 파단면 형상을 미시적 관점에서 분석하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같다.
대상 데이터
25% 이하의 탄소함유율을 가진 합금을 의미한다. 본 연구에서 사용된 재료의 시편은 주로 선박 및 해양구조물에서 높은 활용 도를 가지는 A-grade 연강을 대상으로 하였다. 사용된 시편의 화학 구성비와 물성치는 한국화학시험연구원에서의 측정치를 토대로 하였으며 이는 표 1에서 보는 바와 같다.
본 연구에서 사용된 재료의 시편은 주로 선박 및 해양구조물에서 높은 활용 도를 가지는 A-grade 연강을 대상으로 하였다. 사용된 시편의 화학 구성비와 물성치는 한국화학시험연구원에서의 측정치를 토대로 하였으며 이는 표 1에서 보는 바와 같다.
시험 시편은 그림 2에서 보는바와 같이 ASTM E32에 따라 10 x 10mm2 의 면적에 55 mm 길이 규격으로 제작되었다. 2mm 깊이를 가지는 45°V-노치는 0.
데이터처리
이러한 현상은 미시적 관점의 파단면 분석(fractographic analysis)을 통해 파악될 수 있다. 본 연구에서는 주사전자현미경(SEM) (S-4800, Hitachi, Inc., Japan)을 이용하여 연강의 온도에 따른 파단면 형상을 분석하고 DBTT와 전후 온도에서의 거동을 파악하였다.
이론/모형
샤르피 충격시험은 KSB 0810(2003) 「금속재료 충격시험방법」에 따라 시험을 실시하였다[9]. 시험온도는 금속의 저온거동 및 DBTT를 찾기 위해 +20℃에서 –196℃까지 열 구간의 인터벌로 나누어서 실시하였으며 그림 3에서 보는 바와 같이 각각의 온도에서 3개의 시험편을 실험하여 결과값을 얻을 수 있었다.
성능/효과
(3) 충격시험과 미세조직 분석을 통해 사용된 A-grade 연강의 DBTT는 약 –60 ℃근방을 값을 나타냄을 알수 있다.
2) 파단면을 통한 미세조직 분석결과 시험온도가 25℃에서 –196℃로 감소할수록 결정입자모습으로 연성 및 취성의 성질을 추정할 수 있었다. 연성 파단 형상의 대표적인 특징으로 나타나는 수많은 딤플 결정 모습이 연성구간에서 보였고 취성파단형상의 대표적인 특징인 flat and fragile의 모습이 취성 구간에서 나타남을 미세조직 분석을 통해 확인할 수 있었다.
Upper shelf energy region 에서의 연성의 특성, lower shelf energy 구간에서는 취성의 특성이 각각 나타나는 것을 알 수 있었고 천이점에서는 DBTT가 결정되었다.
2) 파단면을 통한 미세조직 분석결과 시험온도가 25℃에서 –196℃로 감소할수록 결정입자모습으로 연성 및 취성의 성질을 추정할 수 있었다. 연성 파단 형상의 대표적인 특징으로 나타나는 수많은 딤플 결정 모습이 연성구간에서 보였고 취성파단형상의 대표적인 특징인 flat and fragile의 모습이 취성 구간에서 나타남을 미세조직 분석을 통해 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
금속의 인성 값을 알아내는 방법에는 어떤 것들이 있는가?
금속의 인성(Toughness)이란 인장응력을 받을 경우 소성변형 없이 취성파괴에 저항하는 재료의 고유한 성질이다. 재료에 대한 인성의 값을 알아내는 방법에는 평면변형률 파괴 인성법(Plane strain fracture toughness), CTOD(Crack tip opening displacement, CTOD), J적분(J-integral) 등의 방법 등이 있다. 그 중에 시험 평가의 간편성과 소요 시간 등을 고려한 가장 일반적으로 수행하는 방법이 샤르피 충격시험(Charpy impact test)법이다[5-7]. 특히 용접부와 같이 모재 부위와 열영향부 등의 부위별 인성을 평가하는데 주로 샤르피 충격시험이 주로 사용되었고 본 저자의 경우, 용접 인성을 표현하는 데에 샤르피 충격시험을 사용 하여 각 부재별 인성 특성을 평가하여 발표한 바 있다[8].
금속의 인성이란 무엇인가?
금속의 인성(Toughness)이란 인장응력을 받을 경우 소성변형 없이 취성파괴에 저항하는 재료의 고유한 성질이다. 재료에 대한 인성의 값을 알아내는 방법에는 평면변형률 파괴 인성법(Plane strain fracture toughness), CTOD(Crack tip opening displacement, CTOD), J적분(J-integral) 등의 방법 등이 있다.
BCC 구조체는 어떤 특성을 보이는가?
대부분의 금속은 넓은 범위에 걸쳐 DBTT를 보이고 이러한 변이구간을 밝히고자 많은 연구들이 진행되었다[4]. 하지만 BCC 구조체의 경우, 특정 온도에서 급격하게 떨어지는 DBTT 구간의 특성을 보이며 이는 특정 온도에서 뚜렷한 연성-취성 천이 영역을 가진다.
참고문헌 (12)
Kumar, S., Kwon, H.T., Choi, K.H., Cho, J.H., Lim, W.S. and Moon, I, "Current status and future projections of LNG demand and supplies: A global prospective", Energy Policy, 39-7, 4097-4104, (2011)
Kim, I. P., Heo, Y., Park, Y. S., Yoon, T. Y., "Introduction of Bridge Design Specification, 2008 Interim ", Harmany of the Nature and Civilization / v.56 no.10, pp.59-66, (2008)
Manahan, M., "Determination of Charpy transition temperature of ferritic steels using miniaturized specimens." Journal of Materials Science, 25(8): 3429-3438, (1990)
Tanguy, B., Bensson, J., Piques, R., Pineau, A., "Ductile to Brittle Transition of an A508 Steel Characteristics by Charpy Impact Test Part: I Experimental Result", Engineering Fracture Mechanics, 72(1): 49-72, (2005)
Lee, C.H., Shin, S.H., Park, K.T., and Yang, S.H., "Evaluation of the applicability of structural steels to cold regions by the Charpy impact test", Journal of Korean Society of Steel Construction, 23(4): 483-491, (2011)
Kim, J.H., Choi, S.W., Park, D.H,, Lee, J.M., "Cryogenic Charpy Impact Test based on GTAW Method of AISI 304 Stainless Steel for LNG Pipeline", Journal of Welding and Joining, Vol.32, No.3, pp37-42, (2014)
KS B 0810, Method of impact test for metallic materials, Korean Standards, (2003)
Benedetti, M., Heidemann, J., et al., "Influence of sharp microstructural gradients on the fatigue crack growth resistance of ${\alpha}$ + ${\beta}$ and near ${\alpha}$ titanium alloys." Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 28(10): 909-922, (2005)
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