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문제 정의
- Table 1. Microstructural factors and impact properties of the hypoeutectoid steel specimens investigated in this study.
- 4에 나타내었다. 본 연구에서는 펄라이트 층상간격의 영향을 확인하기 위해 550 ℃와 650 ℃에서 열처리된 시편의 파면을 관찰하였다. 200 ℃에서 파괴된 모든 시편들은 미소공동의 형성과 합체에 의해 작고 큰 딤플들(dimples)이 복합적으로 형성된 연성파괴를 나타내었다.
제안 방법
- 3) 또한 Bae 및 Nam 등은 변태온도를 변화시켜 인장특성에 미치는 펄라이트 층상간격의 영향을 분석하였다. 이들 결과에 따르면 변태온도가 낮아질수록 펄라이트의 층상간격은 감소하여 항복 및 인장 강도를 향상시켰다.
- 따라서 본 연구에서는 아공석 범위의 탄소강에 대하여 변태온도를 변화시켜 다양한 크기의 층상간격을 갖는 시편을 제조한 후 미세조직을 정량적으로 분석하고, 시험온도에 따른 충격시험을 실시하여 충격인성 및 연성-취성 천이온도에 미치는 펄라이트 층상간격의 영향을 체계적으로 분석하였다.
- 제조된 시편의 미세조직은 압연 판재의 옆면을 연마하고 3 % 나이탈 용액으로 에칭한 후 광학현미경 및 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope)으로 관찰하였다. 또한 미세조직 내에 형성된 페라이트와 펄라이트의 분율을 측정하기 위해 영상분석기를 이용하였다. 시멘타이트 두께는 펄라이트 분율과 층상간격을 측정한 후 아래 식에 대입하여 계산하였다.
- 본 연구에서는 저탄소를 갖는 아공석강에 대하여 변태온도를 변화시켜 다른 층상간격을 갖는 시편을 제조하고, 충격인성 및 연성-취성 천이온도에 미치는 펄라이트 층상간격의 영향을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 변태온도가 낮아짐에 따라 펄라이트 층상간격과 시멘타이트 두께는 감소하지만, 펄라이트 분율은 증가하였다.
- 위의 합금을 열역학 계산으로부터 얻어진 평형 상태도에 근거하여 950 ℃ 에서 30분간 오스테나이트화 처리 후 550 ℃, 600 ℃, 650 ℃ 에서 등온변태(isothermal transformation)를 실시하여 층상간격이 다른 세종류의 시편을 제조하였다.
- 충격시험은 ASTM E23 표준시험법에 따라 L-T(longitudinal-transverse) 방향으로 10 × 10 × 55 mm의 샤피 충격시편으로 가공한 후 300 J 용량의 충격시험기를 이용하여 −100 ℃ ~ +200 ℃ 의 온도 범위에서 실시하였다. 저온인성을 평가하기 위한 연성-취성 천이온도(DBTT)는 hyperbolic tangent fitting을 통해 상부 흡수에너지와 하부 흡수에너지의 평균에 해당되는 에너지를 가지는 온도로 결정하였다. 충격시험 후 −100 ℃, +50 ℃, +200 ℃ 에서 파괴된 시편의 파면을 주사전자현미경으로 관찰하였다.
- 위의 합금을 열역학 계산으로부터 얻어진 평형 상태도에 근거하여 950 ℃ 에서 30분간 오스테나이트화 처리 후 550 ℃, 600 ℃, 650 ℃ 에서 등온변태(isothermal transformation)를 실시하여 층상간격이 다른 세종류의 시편을 제조하였다. 제조된 시편의 미세조직은 압연 판재의 옆면을 연마하고 3 % 나이탈 용액으로 에칭한 후 광학현미경 및 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope)으로 관찰하였다. 또한 미세조직 내에 형성된 페라이트와 펄라이트의 분율을 측정하기 위해 영상분석기를 이용하였다.
- 충격시험 후 −100 ℃, +50 ℃, +200 ℃ 에서 파괴된 시편의 파면을 주사전자현미경으로 관찰하였다.
대상 데이터
- This work was supported by Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea(NRF) funded by the Ministry of Education, Science, and Technology(NRF-2014R1A1A1006179). The authors are grateful to Dr. Sang-Yoon Lee of Technical Research Laboratories, POSCO for his helpful fabrication and discussion of the steels specimens.
- 본 연구에서 사용된 합금은 Fe-0.45C-1.20Mn-0.20Si-0.03Al-0.01Ti-0.05V(wt. %)의 화학조성을 갖는 저탄소강이다. 이들 합금은 50 kg 단위로 진공용해한 후 1,200 ℃에서 오스테나이트화 처리하고 900 ℃이상에서 15 mm로 열간압연한 판재이다.
이론/모형
- 충격시험은 ASTM E23 표준시험법에 따라 L-T(longitudinal-transverse) 방향으로 10 × 10 × 55 mm의 샤피 충격시편으로 가공한 후 300 J 용량의 충격시험기를 이용하여 −100 ℃ ~ +200 ℃ 의 온도 범위에서 실시하였다.
성능/효과
- 9) 따라서 본 연구에서 펄라이트 층상간격에 따른 충격인성 및 연성-취성 천이온도가 큰 차이를 나타내지 않은 것은 변화된 펄라이트의 층상간격 범위가 최적 층상간격 근처에 존재하기 때문으로 생각된다. 둘째, 본 연구에서 펄라이트의 층상간격을 감소시키기 위해 낮은 변태온도에서 등온변태를 시킨 결과 변태온도가 낮아짐에 따라 펄라이트 층상간격의 감소와 동시에 펄라이트의 분율이 증가되는 결과를 나타내었다. 이는 펄라이트의 층상간격이 미세해질 경우 충격인성 및 연성-취성 천이온도에 좋은 영향을 끼치지만, 동시에 펄라이트의 분율 증가는 충격인성에 부정적인 영향을 주기 때문이다.
- 또한 합금들의 취성파괴 양상을 조사하기 위하여 −100 ℃에서 파괴된 시편들의 파면을 조사한 결과 일반적인 벽개면에서 전형적으로 나타나는 river pattern이 뚜렷하게 관찰되었다.
- 본 연구에서는 저탄소를 갖는 아공석강에 대하여 변태온도를 변화시켜 다른 층상간격을 갖는 시편을 제조하고, 충격인성 및 연성-취성 천이온도에 미치는 펄라이트 층상간격의 영향을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 변태온도가 낮아짐에 따라 펄라이트 층상간격과 시멘타이트 두께는 감소하지만, 펄라이트 분율은 증가하였다. 충격 시험 결과 본 연구에서 제조된 시편들의 경우 높은 펄라이트 분율로 인해 상온 및 저온 충격에너지가 매우 낮으며, 상온이 저온보다 높은 충격에너지를 나타내었다.
- 0180 μm 사이에서 변한다. 변태온도에 따른 펄라이트 분율의 변화를 살펴보면, 변태온도가 낮을수록 펄라이트의 분율이 대체로 증가하는 경향을 보였다.
- 본 연구에서 세종류의 다른 변태온도에서 열처리된 시편들은 Fig. 1 및 Table 1에서 보듯이 초석 페라이트-펄라이트의 미세구조를 가지며, 변태온도가 낮아짐에 따라 펄라이트의 층상간격과 시멘타이트 두께는 감소하고, 펄라이트 분율은 증가하였다. 일반적으로 펄라이트 층상간격은 합금원소, 냉각속도, 변태온도, 과냉도 등의 영향을 받으며, 오스테나이트 결정입도에는 크게 의존하지 않는다.
- 2에 나타내었다. 본 연구에서 제조된 시편들의 경우 펄라이트 분율이 80 % 이상 존재하여 상온에서의 흡수에너지가 저온보다 약간 높지만 상온 및 저온 모두 25 J 이하의 낮은 충격 흡수에너지를 나타내었다. 펄라이트 층상간격과 시멘타이트 두께의 변화에 따른 상온 및 저온 충격에너지를 살펴보면(Fig.
- 3) 또한 Bae 및 Nam 등은 변태온도를 변화시켜 인장특성에 미치는 펄라이트 층상간격의 영향을 분석하였다. 이들 결과에 따르면 변태온도가 낮아질수록 펄라이트의 층상간격은 감소하여 항복 및 인장 강도를 향상시켰다.1,6) 본 연구 결과에서도 이전 연구자들과 같이 변태온도가 낮아질수록 펄라이트의 층상 간격이 작아짐을 확인할 수 있었다(Fig.
- 변태온도가 낮아짐에 따라 펄라이트 층상간격과 시멘타이트 두께는 감소하지만, 펄라이트 분율은 증가하였다. 충격 시험 결과 본 연구에서 제조된 시편들의 경우 높은 펄라이트 분율로 인해 상온 및 저온 충격에너지가 매우 낮으며, 상온이 저온보다 높은 충격에너지를 나타내었다.
- 3에 나타내었다. 펄라이트의 층상간격과 관계없이 시험온도에 따른 충격에너지 결과 모두 연성-취성 천이거동을 나타내었고, 층상간격의 감소가 상부 흡수에너지를 약간 향상시키지만 연성-취성 천이온도에는 거의 영향을 미치지 않았다.
- 한편 Fig. 3에 나타낸 것과 같이 층상간격이 다른 3종류의 시편들은 모두 연성-취성 천이거동을 나타내며, 층상간격이 감소됨에 따라 상부 흡수에너지는 다소 증가하지만, 연성-취성 천이온도에 미치는 층상간격의 영향은 거의 없는 것으로 나타났다(Table 1). 또한 파면 관찰결과에서도 층상간격과 관계없이 모든 온도에서 동일한 파면 양상을 나타낸 것도 이러한 사실을 뒷받침한다(Fig.
후속연구
- 또한 변태온도를 감소시켜 펄라이트의 층상간격이 미세화될 때 펄라이트 분율이 동시에 증가되어 충격인성에 영향을 주기 때문으로도 생각할 수 있다. 앞으로 충격인성과 연성-취성 천이온도에 미치는 미세조직적 인자의 영향을 보다 정량적으로 이해하기 위해서는 보다 넓은 범위의 펄라이트 분율 및 층상간격, 시멘타이트 두께, 합금원소 등을 갖는 시편들에 대한 광범위한 연구가 필요할 것으로 생각된다.
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