[논문]고압 수소 가스 하 인장 시험을 이용한 두 오스테나이트계 고망간강의 수소취화 특성 평가

이승용; 백운봉; 남승훈; 황병철

doi:10.3740/mrsk.2016.26.7.353

고압 수소 가스 하 인장 시험을 이용한 두 오스테나이트계 고망간강의 수소취화 특성 평가
Hydrogen Embrittlement of Two Austenitic High-Manganese Steels Using Tensile Testing under High-Pressure Gaseous Hydrogen 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.26 no.7, 2016년, pp.353 - 358

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

Abstract ▼ AI-Helper

The hydrogen embrittlement of two austenitic high-manganese steels was investigated using tensile testing under high-pressure gaseous hydrogen. The test results were compared with those of different kinds of austenitic alloys containing Ni, Mn, and N in terms of stress and ductility. It was found that the ultimate tensile stress and ductility were more remarkably decreased under high-pressure gaseous hydrogen than under high-pressure gaseous argon, unlike the yield stress. In the specimens tested under high-pressure gaseous hydrogen, transgranular fractures were usually observed together with intergranular cracking near the fracture surface, whereas in those samples tested under high-pressure gaseous argon, ductile fractures mostly occurred. The austenitic high-manganese steels showed a relatively lower resistance to hydrogen embrittlement than did those with larger amounts of Ni because the formation of deformation twins or microbands in austenitic high-manganese steels probably promoted planar slip, which is associated with localized deformation due to gaseous hydrogen.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

실제로 몇몇 후보소재들은 기존의 오스테나이트계 스테인리스강과 유사한 오스테나이트 안정도를 가짐에도 불구하고, 다양한 환경에서 수소취화 현상이 발생되는 문제점이 나타나고 있다. 따라서 본 연구에서는 두 종류의 고망간강을 상온 고압 수소 가스 하 인장 시험을 이용하여 기계적 특성을 평가한 후 기존 상용 오스테나이 트계 합금들과 비교하여 고망간강의 수소취화 특성을 고찰하였다.

제안 방법

본 연구에서는 조성이 다른 2종류의 고망간강에 대하여 고압 수소 및 아르곤 가스 하에서 인장 시험을 실시한 후 인장 특성 및 파면 분석을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다. 고압 아르곤 가스 하 대비 고압 수소 가스 하에서 고망간강의 항복 강도는 큰 영향을 받지 않는 반면, 인장 강도와 연성은 감소되어 수소취화 현상이 나타났다.
아르곤 가스 하 대비 수소 가스 하에서 연성의 저하를 쉽게 이해하고자 상대적 연성 감소율(relative ductility reduction)을 계산하였다(Table 2). 그 결과 연신율과 단면적 감소율은 수소 가스 하에서 아르곤 가스 하 대비약 25~40 % 정도로 크게 감소하였다.
33 × 10⁻⁴s⁻¹ 로 상온 고압 수소 및 아르곤 가스 하에서 실시되었다. 인장 시험 후 시편의 파단된 부근을 실체현미경으로, 파면을 주사전자현미경(scanning electron microscopy, 이하 SEM)으로 각각 관찰하였다.
또한 이들 고망간강은 상온에서 오스테 나이트 단상을 얻기 위해 900℃ 이상의 온도에서 열간 압연한 후 급랭되었다. 제조된 시편의 미세조직은 압연 판재의 T-S(transverse-short transverse) 면을 연마하고 3% 나이탈 용액으로 에칭한 후 광학현미경으로 관찰하였고, 미세조직의 결정립 크기는 ASTME 112 표준 시험법에 따라 일정 길이의 선 내 입계 수를 세어 평균 결정립 크기를 계산하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 두 합금은 오스테나이트계 고망간강 ‘A 강(Steel A)’, ‘B 강(Steel B)’로 각각의 화학조성을 Table 1에 나타내었다.
인장 시험은 한국표준과학연구원에 있는 고압 수소 가스 하 in-situ 역학 특성 측정장비(MTS Criterion Model 45)를 이용하였으며, 두 강의 압력 환경은 각각 10 MPa, 70 MPa이고, 변형률 속도는 6.67 × 10−5s−1, 3.33 × 10−4s−1 로 상온 고압 수소 및 아르곤 가스 하에서 실시되었다.

이론/모형

인장 시편은 ASTM G142¹⁶⁾에 준하여 표점거리 28.6 mm, 지름 6.0 mm의 봉상 형태로 인장 방향이 압연 수직 방향과 평행하도록 가공하였다. 인장 시험은 한국표준과학연구원에 있는 고압 수소 가스 하 in-situ 역학 특성 측정장비(MTS Criterion Model 45)를 이용하였으며, 두 강의 압력 환경은 각각 10 MPa, 70 MPa이고, 변형률 속도는 6.

성능/효과

4에 나타내었다. 고압 수소 가스 하에서 두 강은 파면 위치와 관계없이 입계를 따라 전파된 균열들과 입내파괴(transgranular fracture)가 복합적으로 관찰되었다. 또한 균열들의 수는 표면부에서 높은 빈도로 관찰되는데, 이는 상온에서 오스테나이트 내수소의 느린 확산속도로 인해 시편 표면의 수소 농도가 상대적으로 높기 때문이다.
본 연구에서는 조성이 다른 2종류의 고망간강에 대하여 고압 수소 및 아르곤 가스 하에서 인장 시험을 실시한 후 인장 특성 및 파면 분석을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다. 고압 아르곤 가스 하 대비 고압 수소 가스 하에서 고망간강의 항복 강도는 큰 영향을 받지 않는 반면, 인장 강도와 연성은 감소되어 수소취화 현상이 나타났다. 파면 분석 결과 입계를 따라 전진된 균열들이 관찰되며, 입내 파괴 양상도 나타내었다.
아르곤 가스 하 대비 수소 가스 하에서 연성의 저하를 쉽게 이해하고자 상대적 연성 감소율(relative ductility reduction)을 계산하였다(Table 2). 그 결과 연신율과 단면적 감소율은 수소 가스 하에서 아르곤 가스 하 대비약 25~40 % 정도로 크게 감소하였다. 이는 파단된 시편의 표면부를 관찰한 Fig.
파면 분석 결과 입계를 따라 전진된 균열들이 관찰되며, 입내 파괴 양상도 나타내었다. 또한 본 연구에서 시험된 고망간강과 상용 오스테나이트계 합금들의 인장 특성을 비교한 결과 고망간강은 상대적으로 높은 오스테나이트 안정도와 적층결함 에너지를 가지고 있어 마르텐사이트 변태가 일어나지 않는 소재임에도 불구하고, 상대적으로 낮은 수소취화 저항성을 나타내었다. 이는 Mn 첨가에 따른 평면 슬립의 활성화로 수소에 의한 국부적인 변형이 더욱 촉진된 것으로 보인다.
2와 Table 2에 나타내었다. 아르곤 가스 하에서 시험된 두 고망간강의 결과 값을 대기 중에서 시험한 결과와 비교해 볼 때 강도는 큰 차이가 없고 연성은 다소 감소한 반면, 수소 가스 하에서는 두 강의 인장강도와 연성이 크게 감소하였다.
이들의 결정립 크기는 25.9 µm와 16.6 µm로 측정되었으며, 열역학 데이터를 이용한 적층결함 에너지 계산결과 23.9 mJ/m2, 31.7 mJ/ m2로 나타났다(Table 1).
^1-6,10,11) 한편 다량의 Ni을 함유한 316 스테인리스 강은 수소취화에 의한 기계적 특성의 저하가 크지 않았다. 이를 통해 316 스테인리스 강과 같이 Ni 함량이 높거나 오스테나이트 안정도가 높을수록 수소취화 저항성이 커지는 것을 알 수 있다. 그러나 일부 연구자들에 의하면 준안정 304 스테인리스강의 경우에는 Ni 함량 차이로 오스테나이트 안정도가 변화하여 변형유기 마르텐사이트 변태가 일어나 수소취화 저항성이 달라지기도 한다.
고압 아르곤 가스 하 대비 고압 수소 가스 하에서 고망간강의 항복 강도는 큰 영향을 받지 않는 반면, 인장 강도와 연성은 감소되어 수소취화 현상이 나타났다. 파면 분석 결과 입계를 따라 전진된 균열들이 관찰되며, 입내 파괴 양상도 나타내었다. 또한 본 연구에서 시험된 고망간강과 상용 오스테나이트계 합금들의 인장 특성을 비교한 결과 고망간강은 상대적으로 높은 오스테나이트 안정도와 적층결함 에너지를 가지고 있어 마르텐사이트 변태가 일어나지 않는 소재임에도 불구하고, 상대적으로 낮은 수소취화 저항성을 나타내었다.

후속연구

이는 Mn 첨가에 따른 평면 슬립의 활성화로 수소에 의한 국부적인 변형이 더욱 촉진된 것으로 보인다. 현재 여러 연구자들이 다양한 조건에서의 시험과 분석 방법을 통해 수소취화 기구를 설명하고 있으나 분석된 소재에 따라 각자 주장하는 내용이 상이하기 때문에 이에 대한 보다 체계적인 분석과 추가적인 논의가 필요할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재 수소연료 자동차에 장착되는 고압 수소 저장탱크의 압력 범위는 어느정도인가?	현재 수소연료 자동차에 장착되는 고압 수소 저장탱크의 압력 범위는 20~875 bar 정도로 오스테나이트계 316 스테인리스강은 이들 환경에서 강도와 인성, 내수소성 등을 동시에 만족하는 상용 소재로 잘 알려져 있다.1) 이소재는 70 MPa 고압 수소 가스 하에서도 기계적 특성의 저하가 거의 없는 것으로 알려져 있으나 합금조성이나 시험 조건에 따라 수소취화(hydrogen embrittlement) 현상이 종종 나타나는 것으로 보고된다.
	다량의 Mn을 첨가한오스테나이트계 합금의 특징과 적용 분야는?	7-9) 이들은 오스테나이트계 스테인리스강과 비슷한 오스테나이트 안정도와 우수한 강도 및 인성 등을 가지며, 가격경쟁력 측면에서 높은 장점을 가지고 있어 고압 수소 저장탱크용 후보소재로 고려될 수 있다.10,11) 이들 중 다량의 Mn을 첨가한 고망 간강(high-manganese steel)은 상온 및 극저온에서 적절한 적층결함 에너지(stacking fault energy, SFE)를 갖도록 설계되어 고강도와 고연성 및 인성을 동시에 가지며, 또한 비자성, 내마모성 등의 우수한 특성을 나타내어 자동차, LNG 저장용기 및 배관, 라인파이프 등의 다양한 분야에 적용되고 있다.12,13) 따라서 강도적인 측면에서 고려해볼 때 상용 오스테나이트계 스테인리스강보다 상온에서 약 1.
	오스테나이트계 316 스테인리스강은 20~875 bar 압력 범위에서 어떤 특징이 있는가?	현재 수소연료 자동차에 장착되는 고압 수소 저장탱크의 압력 범위는 20~875 bar 정도로 오스테나이트계 316 스테인리스강은 이들 환경에서 강도와 인성, 내수소성 등을 동시에 만족하는 상용 소재로 잘 알려져 있다.1) 이소재는 70 MPa 고압 수소 가스 하에서도 기계적 특성의 저하가 거의 없는 것으로 알려져 있으나 합금조성이나 시험 조건에 따라 수소취화(hydrogen embrittlement) 현상이 종종 나타나는 것으로 보고된다.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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