[논문]저 T/Tm 온도에서 공석강 및 과공석강의 시간의존성 소성변형 기구

최병호; 정기채; 박경태

doi:10.5228/kstp.2016.25.6.359

저 T/Tm 온도에서 공석강 및 과공석강의 시간의존성 소성변형 기구
Mechanisms of Time-dependent Plastic Deformation of Eutectoid and Hypereutectoid Steels at Low T/Tm Temperatures 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.25 no.6, 2016년, pp.359 - 365

최병호 (한밭대학교 신소재공학과) , 정기채 (한밭대학교 신소재공학과) , 박경태

Abstract ▼ AI-Helper

The rate-controlling mechanisms for time-dependent plastic deformation of eutectoid and hyper-eutectoid pearlitic steels at low $T/T_m$ temperatures were explored. The strain rate - stress data obtained from a series of constant load tensile tests at $0.25{\sim}0.30T/T_m$ were applied to the power law, the lattice friction controlled plasticity, and the obstacle controlled plasticity. Of these models, the obstacle controlled plasticity was found to best-describe the rate-controlling mechanism for time-dependent plastic deformation of two steels at low $T/T_m$ temperatures in terms of the activation energy for overcoming the obstacles against dislocation glide in ferrite. The deformed microstructures revealed the dislocation forests of a high density as the main obstacles. In addition, the obstacle controlled plasticity well-explained the effects of cementite on the $0^{\circ}K$ flow stress of two steels.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 신선 전 완전 펄라이트 공석강 (0.82wt% C) 및 과공석강(0.95wt% C)원소재에 대하여 HTLS 케이블 사용 온도 구간인 200~250°C에서(0.25 ~ 0.30T/Tm에 해당) 장시간 일정 하중 인장 실험을 행한 후, 펄라이트강의 소성변형 율속기구를 규명하고자 하였다.

가설 설정

격자 마찰 제어 소성변형(lattice friction controlled plasticity, 따라서 두 강종의 저 T/T_m 영역에서의 소성변형 율속기구를 규명하기 위해 본 실험 결과를 위 두 식에 적용하였다. 분석을 위하여 강한 상(hard phase)인 세멘타이트는 본 실험 조건에서 소성 변형을 하지 않고 연한 상(soft phase)인 페라이트만 소성변형을 하는 것으로 가정하였다. 또한 전단 강성율(G)의 경우 페라이트를 순철(pure iron)로 가정하여 순철의 전단강성율을 나타내는 식 (4)를 사용하였으며[7, 8], 인장 응력과 변형속도는 식 (5)를 이용하여 전단 응력과 변형속도로 변환하였다.

제안 방법

95C강 열연재를 1000°C에서 10분간 오스테나이트화 처리한 후 각각 650°C 와 550°C의 염욕에 바로 투입하여 10분간 등온변태 처리를 행하였다. 0.95C강의 경우 오스테나이트 입계에서의 초석 세멘타이트 석출을 억제하기 위해 0.82C강에 비해 낮은 온도에서 등온변태처리를 행하였다. 0.
인자는 격자 마찰과 석출물, 전위숲 등 다양한 형태의 방해물이다. 격자 마찰 제어 소성변형(lattice friction controlled plasticity, 따라서 두 강종의 저 T/T_m 영역에서의 소성변형 율속기구를 규명하기 위해 본 실험 결과를 위 두 식에 적용하였다. 분석을 위하여 강한 상(hard phase)인 세멘타이트는 본 실험 조건에서 소성 변형을 하지 않고 연한 상(soft phase)인 페라이트만 소성변형을 하는 것으로 가정하였다.
두께 15mm의 0.82C강 및 0.95C강 열연재를 1000°C에서 10분간 오스테나이트화 처리한 후 각각 650°C 와 550°C의 염욕에 바로 투입하여 10분간 등온변태 처리를 행하였다.
등온변태 판재로부터 게이지 길이 25.4mm, 직경 6mm의 원통형 인장 시편을 가공한 후 200°C, 225°C, 250°C에서 일정 하중 인장 실험을 행하여, 변형량(ε)–시간(t) 및 변형속도(𝜀̇)–응력(σ) 관계를 구하였다.
Table 1에 각 강종 등온 변태재의 미세조직 특성을 나타내었다. 오스테나이트 결정립 크기(austenite grain size, AGS), 펄라이트 nodule 크기, 펄라이트 층상간격(lamellar spacing)은 각각 광학 현미경, 주사전자현미경에서 얻어진 후방산란회절 패턴, 투과전자현미경을 이용하여 측정하였다.
30 T/T_m에 해당한다. 인장 실험 시 단일 하중 실험(single load test) 외에 주어진 하중에서 변형속도가 정상상태(steady-state) 혹은 최소에 도달하였을 경우 하중을 증가시키는 하중 변화 실험(load change test)을 함께 병행하였다. Fig.
저 T/T_m 온도 영역에서 공석 및 과공석 조성의 펄라이트강의 시간의존성 소성변형 율속기구를 규명하기 위해 0.25 ~ 0.3 T/T_m온도 영역에서 일정 하중 인장실험을 행하였으며, 이로부터 얻어진 변형속도 - 응력 관계를 power law, 격자 마찰 제어 소성변형, 방해물 제어 소성변형에 적용하여 분석하였다.

이론/모형

위 실험으로부터 얻어진 𝜀̇–σ 관계를 격자마찰 제어 소성변형(lattice friction controlled plasticity)모델과 방해물 제어 소성변형(obstacle controlled plasticity)모델에[7,8] 적용하여 소성변형 율속기구를 분석하였다.

성능/효과

(1) 두 강종의 겉보기 소성 변형 거동은 power law로 표현할 수 있으나, 높은 응력 지수 및 기존 율속 기구와 불일치하는 활성화 에너지 값에 의해 power law 로서 율속기구를 설명할 수 없다.
(2) 격자 마찰 제어 모델로부터 얻어진 두 강종의 활성화에너지는 순철에 비해 높으며, 또한 격자 마찰 제어 모델로는 세멘타이트 효과를 설명할 수 없어 격자 마찰 제어 모델은 저 T/T_m온도 영역에서의 펄라이트강 소성변형 율속기구로서는 부적합하다.
(3) 방해물 마찰 제어 모델로부터 얻어진 두 강종의 활성화에너지는 변형미세조직에서 관찰된 전위숲 극복을 위한 활성화에너지와 잘 일치하였다. 또한 이 모델로부터 산출된 0°K 유동 응력(τ_p)는 세멘타이트 효과를 잘 반영한다.
82C강에 비해 낮은 온도에서 등온변태처리를 행하였다. 0.82C강 및 0.95C강의 화학성분은 각각 Fe-0.82C-0.58Mn-0.17Si-0.003S-0.001P(이후 중량 %)와 Fe-0.95C-0.62Mn-0.20Si-0.003S-0.001P이다. Fig.
두 강종 모두 직선 관계를 나타내었으며, ΔF 와 𝜏p는 강종 및 온도에 관계없이 각각 0.55~0.65 Gb3,(1.6~1.9) x 10-2 Go의 값을 갖는 것으로 계산되었다 (b는 페라이트의 Burgers vector (2.48 x 10-10m)이다).
따라서 계산된 ΔF 값(~0.5 Gb3)과 관찰된 변형미세 조직으로부터 두 강종의 저 T/Tm 온도에서 소성변형은 페라이트에서 전위 활주 시 주요 방해물인 전위숲 극복 과정에 의해 율속됨을 알 수 있다.
모든 온도에서 두 강종의 𝜀̇–σ관계는 log-log 그래프 상에서 직선 관계를 보이며, 동일 변형속도를 나타내는 응력값은 온도 감소에 따라 증가하므로 이들 강종의 겉보기 소성변형 거동은 전술한 power law(𝜀̇ ∝ 𝜎𝑛 exp (−𝑄/𝑅𝑇), Q:겉보기 활성화 에너지, R: gas 상수, T: 온도(°K))로 나타낼 수 있다.
95C강의 높은 세멘 이트 분율에 기인한다. 이와 같이 방해물 제어 모델을 적용함으로써, 펄라이트강의 저 T/T_m온도 영역에서 소성변형의 율속기구는 전위활주의 주 방해물인 전위숲 극복 과정임을 알 수 있으며, 세멘타이트의 하중 지지 효과를 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대전력 송전용 HTLS 케이블 개발에 필요한 요소는 무엇인가?	이와 같은 대전력 송전용 HTLS 케이블 개발에는 하중의 대부분을 지탱하는 보강재인 공석강 신선재의 케이블 사용 온도 범위에서의 장시간 소성 변형에 대한 이해가 필요하다. Giginyak 등과[4] Hou 등은[5] 각각 인장실험 및 압입실험을 통하여 500 ~ 600°C에서 공석강 원소재의 겉보기 소성변형 거동을 creep power law로(��̇ ∝ ��, ��̇는 변형속도, σ는 응력, n은 응력 지수)설명한 바 있다.
	송전 케이블의 소성변형은 어떠한 현상을 유발하는가?	송전 케이블은 하중(자중, 설치하중 및 외적 동하중) 및 송전 저항열 등의 영향을 받아 지속적으로 소성 변형을 받는다. 이는 장기적으로 케이블의 길이 변화를 초래하여 전력 손실 및 케이블 처짐(sag) 현상을 유발한다[1]. 최근 전력 손실 및 케이블 처짐을 억제함과 동시에 대전력을 송전하기 위해 보다 높은 온도에서 처짐 저항성이 우수한 High Temperature Low Sag(HTLS) 대전력 송전용 케이블이 개발되고 있다.
	송전 케이블은은 어떠한 구성요소로 이루어져 있는가?	송전 케이블은 중심부에 보강재 역할을 하는 공석강 신선재와 그 주위에 전도체 역할을 하는 알루미늄 신선재의 연선(wire strand)으로 구성되어 있다. 현재 가장 널리 사용되는 대표적 송전 케이블은 ACSR(Aluminum Conductor Steel Reinforced) 케이블이다.

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