[논문]질소와 탄소가 복합 첨가된 두 오스테나이트계 Fe-18Cr-10Mn 합금의 연성-취성 천이 거동

이승용; 김보영; 황병철

doi:10.12656/jksht.2015.28.1.1

질소와 탄소가 복합 첨가된 두 오스테나이트계 Fe-18Cr-10Mn 합금의 연성-취성 천이 거동
Ductile-to-Brittle Transition Behavior of Two Austenitic Fe-18Cr-10Mn Alloys with the Combined Addition of Nitrogen and Carbon 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.28 no.1, 2015년, pp.1 - 6

이승용 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 김보영 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 황병철 (서울과학기술대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The ductile-to-brittle transition behavior of two austenitic Fe-18Cr-10Mn alloys with the combined addition of nitrogen and carbon was investigated in this study. The alloys exhibited a ductile-to-brittle transition behavior because of unusual brittle fracture at low temperatures unlike conventional austenitic alloys. The alloy with higher carbon content had higher yield and tensile strengths than that with lower carbon content due to the solid solution strengthening effect resulting from carbon addition. However, the increase in carbon content promoted the occurrence of intergranular fracture, and thus deteriorated the impact toughness. In order to develop successfully the austenitic Fe-18Cr-10Mn alloys with the excellent combination of strength and toughness in the future, therefore, more systematic studies are required to find the appropriate amount and ratio of nitrogen and carbon.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 질소와 탄소가 복합 첨가된 오스테나이트계 Fe-CrMn 합금의 저온 취성 파괴나 연성-취성 천이 거동에 대한 연구는 현재 매우 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 질소와 탄소가 복합 첨가된 두 오스테나이트계 Fe-Cr-Mn 합금을 제조한 후 시험 온도에 따른 충격 시험을 실시하고, 흡수 에너지와 파면 조사를 통해 이들 합금의 저온 파괴 형태와 연성-취성 천이 거동을 고찰해 보고자 하였다.

제안 방법

또한 충격시험은 ASTM E23 시험법에 따라 10 × 10 × 55mm의 표준 샤르피 충격(Charpy impact) 시편으로 가공한 후 −196 ~ +100°C의 온도 범위에서 실시하였다.
압연 후 결정립 크기가 같고, 균일한 오스테나이트 단상 조직을 얻기 위하여 Fig.1의 열역학 계산 결과를 토대로 적절한 온도를 설정한 후 1,200~1,250°C 온도에서 30분간 용체화 처리(solution treatment)하였다.
1의 열역학 계산 결과를 토대로 적절한 온도를 설정한 후 1,200~1,250°C 온도에서 30분간 용체화 처리(solution treatment)하였다. 이들 시편들의 미세조직은 HCl 30 ml + HNO₃ 20 ml + Ethanol 50ml 용액으로 에칭하여 광학현미경으로 관찰하였다. 미세조직 분석 결과(Fig.
충격 시험 후 −196°C, −60°C, +20°C(상온)에서 파괴된 시편의 파면을 주사전자 현미경(scanning electron microscopy, SEM)으로 관찰하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 재료는 질소와 탄소가 복합 첨가된 2 종류의 Fe-18Cr-10Mn 합금이며, 이들의 자세한 화학조성을 Table 1에 나타내었다. 두 합금의 화학조성을 비교해 보면, 질소 함량은 0.

이론/모형

인장 시험은 ASTM E8 표준 시험법에 따라 판재 압연 방향의 수직 방향으로 sub-size 봉상 시편(표점거리: 25.4 mm, 직경: 6.3 mm)을 가공한 후 10톤 용량의 만능 시험기를 이용하여 5 mm/min의 crosshead 속도로 상온에서 실시하였다. 또한 충격시험은 ASTM E23 시험법에 따라 10 × 10 × 55mm의 표준 샤르피 충격(Charpy impact) 시편으로 가공한 후 −196 ~ +100°C의 온도 범위에서 실시하였다.

성능/효과

본 연구에서 사용된 재료는 질소와 탄소가 복합 첨가된 2 종류의 Fe-18Cr-10Mn 합금이며, 이들의 자세한 화학조성을 Table 1에 나타내었다. 두 합금의 화학조성을 비교해 보면, 질소 함량은 0.40 wt% 정도로 같고, B 합금은 A 합금에 비해 탄소 함량이 0.2 wt% 더 높다. 이들은 대기압 하에서 진공 유도용해로를 이용하여 제조한 후 12 mm 두께의 판재로 열간 압연하였다.
미세조직 분석 결과(Fig. 2) A 합금과 B 합금의 결정립 크기는 각각 66 μm와 67 μm로 거의 같으며, 결정립 내부에는 어닐링 쌍정(annealing twin)이 잘 발달된 완전한 오스테나이트 단상 조직이 형성되었다.
본 연구에서는 제조된 질소와 탄소가 복합 첨가된 두 오스테나이트계 Fe-18Cr-10Mn 합금은 저온에서 발생된 취성 파괴로 인해 모두 연성-취성 천이 거동을 나타내었다. 두 합금 중에서 질소 함량에 비해 탄소 함량이 상대적으로 많은 B 합금은 저온에서 입계 형태의 취성 파괴를 일으켜 상대적으로 낮은 충격 에너지를 나타내었다.
상온 인장 시험 결과(Table 2) B 합금의 항복 강도와 인장 강도는 A 합금보다 모두 높지만, 연신율은 큰 차이가 없었다. 탄소 함량이 0.

후속연구

질소와 탄소가 복합 첨가된 오스테나이트계 Fe-18Cr-10Mn 합금에서 탄소 함량의 증가는 항복 강도를 높일 수는 있지만, 일정량 이상의 탄소 첨가는 결정립계로 쉽게 편석됨으로써 충격 인성을 크게 저하시킬 수 있다. 따라서 인장 및 충격 특성이 동시에 우수한 오스테나이트계합금을 제조하기 위해서는 저온 취성 파괴와 연성-취성 천이 거동에 미치는 질소와 탄소의 영향에 대한보다 체계적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.
35로 탄소 함량이 질소 함량에 비해 상대적으로 높기 때문에 입계 형태의 취성 파괴가 쉽게 일어나 충격 인성이 저하되는 것으로 생각할 수 있다. 이를 통해 질소와 탄소가 복합 첨가된 오스테나이트계 합금에서 탄소 함량의 증가는 강도를 증가시키긴 하지만, 충격 인성에 부정적인 영향을 미칠 수 있기 때문에 질소와 탄소의 함량이 인장 및 충격 특성에 미치는 영향에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	오스테나이트계 Fe-Cr-Mn 고질소강은 무슨 구조를 가지는가?	한편 오스테나이트계 Fe-Cr-Mn 고질소강은 면심입방정(face-centered cubic, FCC) 구조를 가짐에도 불구하고, 저온에서 일어나는 취성 파괴로 인해 연성-취성 천이(ductile-to-brittle transition) 거동이 나타나 이에 대한 많은 연구가 진행되었다[9-14]. 그러나 질소와 탄소가 복합 첨가된 오스테나이트계 Fe-CrMn 합금의 저온 취성 파괴나 연성-취성 천이 거동에 대한 연구는 현재 매우 부족한 실정이다.
	오스테나이트계 Fe-Cr-Mn 합금에서 질소와 탄소의 복합 첨가는 어떻게 연성과 인성을 향상하는가?	Gavrijuk의 연구결과에 따르면[5, 6], 오스테나이트계 Fe-Cr-Mn 합금에서 질소와 탄소의 복합 첨가는 질소나 탄소의 단독 첨가에 비해 자유전자의 농도를 크게 높여 원자 간의 금속성 결합을 증가시킴으로써 연성과 인성을 향상시키는 것으로 보고되고 있다. 또한 자유전자의 농도 증가는 치환형 용질 원자의 분포를 보다 균일하게 하고, 단범위 규칙(short range ordering)을 야기시켜 오스테나이트 상의 열역학적 안정도를 증가시키는 것으로 알려져 있다.
	오스테나이트계 Fe-Cr-Mn 합금에서 질소와 탄소를 복합 첨가할 때 장점은?	최근 고강도와 함께 내부식성, 내마모성 등의 다양한 특성을 얻기 위하여 질소와 함께 탄소를 의도적으로 복합 첨가한 오스테나이트계 Fe-Cr-Mn 합금에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다[1-8]. 이들 오스테나이트계 합금에서 질소와 탄소의 복합 첨가는 오스테나이트 상을 효과적으로 안정화시키고, 각 침입형 원소들의 용해도를 증가시키기 때문에 가압 공정을 거치지 않고도 안정된 오스테나이트 기지 조직을 확보할 수 있는 장점이 있다. 또한 이들은 첨가되는 두 침입형 원소의 함량이나 비에 따라 강도, 연성,내식성, 저온인성, 내마모성 등 다양한 물성을 크게향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있다[4-8]. 따라서 질소와 탄소가 복합 첨가된 오스테나이트계 Fe-CrMn 합금은 높은 함량의 질소를 포함한 오스테나이트계 고질소강(high-nitrogen steel)을 대체할 수 있는 새로운 합금 소재로 큰 주목을 받고 있다.

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