[논문]오스테나이트계 Fe-18Cr-10Mn-N-C 합금의 연성-취성 천이 거동에 미치는 결정립 크기의 영향

이상인; 이승용; 남승훈; 황병철

doi:10.3740/mrsk.2015.25.10.559

오스테나이트계 Fe-18Cr-10Mn-N-C 합금의 연성-취성 천이 거동에 미치는 결정립 크기의 영향
Effect of Grain Size on Ductile-Brittle Transition Behavior of Austenitic Fe-18Cr-10Mn-N-C Alloys 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.25 no.10, 2015년, pp.559 - 565

이상인 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 이승용 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 남승훈 (한국표준과학연구원 산업측정표준본부) , 황병철 (서울과학기술대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The ductile-brittle transition behavior of two austenitic Fe-18Cr-10Mn-N-C alloys with different grain sizes was investigated in this study. The alloys exhibited a ductile-brittle transition behavior because of an unusual brittle fracture at low temperatures unlike conventional austenitic alloys. The alloy specimens with a smaller grain size had a higher yield and tensile strengths than those with a larger grain size due to grain refinement strengthening. However, a decrease in the grain size deteriorated the low-temperature toughness by increasing the ductile-brittle transition temperature because nitrogen or carbon could enhance the effectiveness of the grain boundaries to overcome the thermal energy. It could be explained by the temperature dependence of the yield stress based on low-temperature tensile tests. In order to improve both the strength and toughness of austenitic Fe-Cr-Mn-N-C alloys with different chemical compositions and grain sizes, more systematic studies are required to understand the effect of the grain size on the mechanical properties in relation to the temperature sensitivity of yield and fracture stresses.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 오스테나이트계 Fe-Cr-Mn-N-C 합금의 경우 결정립 크기가 저온 취성 파괴나 연성-취성 천이 거동에 미치는 영향에 대한 연구는 거의 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 질소와 탄소가 복합 첨가된 두 오스테나이트계 Fe-Cr-Mn-N-C 합금에 대하여 열처리 온도를 달리하여 결정립 크기가 다른 시편들을 제조한 후 온도에 따른 충격 시험을 실시하고, 파면 조사를 통해 이들 합금의 저온 파괴 형태와 연성-취성 천이 거동에 미치는 결정립 크기의 영향을 고찰해 보았다.

제안 방법

또한 결정립 크기 변화에 따른 연성-취성 천이 거동을 항복 응력의 온도 의존성 관점에서 해석하기 위하여 −196 oC, −120 oC, −50 oC, +20 oC (상온)의 다양한 온도에서 인장 시험을 실시하였다.
이들 합금은 대기압 하에서 진공 유도용해로를 이용하여 제조한 후 900 ℃ 이상에서 12 mm 두께의 판재로 열간 압연하였다. 압연후 결정립 크기가 다른 균일한 오스테나이트 단상 조직을 얻기 위하여 열역학 계산 결과를 토대로 적절한 온도를 설정한 후 1 시간 동안 용체화 처리(solution treatment)하였다. 이들 시편들의 미세조직을 HCl 30 ml + HNO₃ 20 ml + Ethanol 50 ml 용액으로 에칭한 후 광학 현미경으로 관찰한 결과를 Fig.
C의 온도 범위에서 충격 시험을 실시하였다. 충격 시험 후 다양한 온도에서 파괴된 시편의 파면을 저배율 현미경과 주사전자 현미경(scanning electron microscopy, 이하 SEM)으로 관찰하였다. 또한 결정립 크기 변화에 따른 연성-취성 천이 거동을 항복 응력의 온도 의존성 관점에서 해석하기 위하여 −196 ^oC, −120 ^oC, −50 ^oC, +20 ^oC (상온)의 다양한 온도에서 인장 시험을 실시하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 재료는 질소와 탄소가 첨가된 2종류의 오스테나이트계 Fe-18Cr-10Mn-0.4N-C 합금이며, 이들의 자세한 화학조성을 Table 1에 나타내었다. 두 합금의 화학조성을 비교해 보면, 질소 함량은 0.
본 연구에서 제조된 질소와 탄소가 복합 첨가된 두 오스테나이트계 Fe-18Cr-10Mn-N-C 합금은 결정립 크기에 관계없이 저온에서 발생된 비정상적인 취성 파괴로 인하여 모두 연성-취성 천이 거동을 나타내었다. 오스테나이트계 Fe-18Cr-10Mn-N-C 합금에서 결정립 크기의 감소는 강도를 증가시키지만, 충격 에너지의 향상에는 효과적이지 못하였다.

이론/모형

온도에 따른 연성-취성 천이 거동을 평가하기 위하여 ASTM E23 시험법에 따라 10 × 10 × 55 mm의 표준 샤르피 충격(Charpy impact) 시편으로 가공한 후 −196 ℃ ~ +100 oC의 온도 범위에서 충격 시험을 실시하였다.
또한 결정립 크기 변화에 따른 연성-취성 천이 거동을 항복 응력의 온도 의존성 관점에서 해석하기 위하여 −196 ^oC, −120 ^oC, −50 ^oC, +20 ^oC (상온)의 다양한 온도에서 인장 시험을 실시하였다. 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 2.0 mm/min의 시험 속도로 실시하였다.

성능/효과

결정립 크기에 따른 상온 인장 시험 결과를 보면(Table1), 두 합금 모두 작은 결정립 크기를 갖는 시편의 항복 및 인장 강도가 더 높다. 일반적으로 오스테나이트계 합금의 경우 결정립계가 강도 향상에 효과적이지 못하지만, 질소나 탄소의 첨가는 오스테나이트의 결정립계를 강화시켜 결정립 미세화에 의한 강도 향상에 기여하는 것으로 알려져 있다.
4C 시편의 경우 −150 ^oC의 매우 낮은 온도에서부터 shear lip(화살표 표시)이 나타나기 시작하여 온도가 높아짐에 따라 전단 파괴 영역이 확대되었다. 또한 저온에서 파괴된 시편들을 관찰해 보면, 0.4N-0.4C 합금의 파면은 딤플들(dimples)이 형성되는 연성 파괴 양상이 많아 어둡게 나타나는 반면, 0.4N-0.6C 합금의 파면은 취성 파괴 양상에서 나타나는 편평한 파면들로 인해 빛이 반사되어 다소 빤짝이는 모습을 보였다. 상온 이상에서는 두 합금의 시편들 모두 소성 변형이 매우 큰 연성 파괴를 나타내었다.
1에 나타내었다. 미세조직 분석 결과 용체화 처리 온도가 높아짐에 따라 결정립 크기가 증가되었으며, 어닐링 쌍정(annealing twin)을 포함한 오스테나이트 단상 조직이 잘 형성됨을 확인하였다.
시험 온도에 따른 충격 에너지의 변화를 보면, 0.4N0.4C 합금의 경우 온도가 낮아짐에 따라 충격 에너지가 다소 서서히 감소하는 반면, 0.4N-0.6C 합금은 온도에 따른 충격 에너지의 변화가 상대적으로 급격하였다.
6C 합금의 충격 에너지는 50 J 이하로 보다 낮았다. 한편 결정립 크기에 따른 충격 에너지를 살펴보면, 결정립 크기가 작을 경우 대부분의 온도에서 충격 에너지가 상대적으로 낮아 작은 결정립 크기를 갖는 시편들의 DBTT가 오히려 높게 나타났다. 구체적으로 −30 ^oC의 저온에서 시편들의 충격 에너지를 비교해 보면, 두 합금 모두 작은 결정립을 갖는 시편들의 충격 에너지가 보다 낮은 것을 알 수 있다.

후속연구

^19-21) Tomota 등에 따르면 Mo,Be, Mg, Al-Zn과 같은 몇몇 합금에서 이러한 결정립 크기의 감소가 DBTT를 증가시키는 것으로 확인되었다.²⁰⁾ 이와 같이 오스테나이트계 Fe-Cr-Mn-N-C 합금에서 결정립 크기 감소는 강도를 증가시키긴 하지만, DBTT를 높여 충격 인성에 부정적인 영향을 미치기 때문에 이들 합금의 인장 및 충격 특성을 동시에 향상시키기 위해서는 결정립 크기의 영향에 대한 신중한 검토가 필요할 것으로 생각된다.
실제로 결정립 크기의 감소는 항복 응력의 온도 의존성을 증가시켜 DBTT를 높임으로써 충격 인성에 부정적인 영향을 미쳤다. 따라서 질소와 탄소가 복합 첨가된 오스테나이트계 Fe-18Cr-10Mn-N-C 합금의 인장 및 충격 특성을 동시에 향상시키기 위해서는 온도에 따른 항복 및 파괴 응력의 변화 관점에서 기계적 특성에 미치는 결정립 크기의 영향에 대한 보다 체계적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.

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