[논문]쇄빙선 강재의 내충격 특성에 관한 실험적 연구: 제1부 강재 특성

노명현; 이재익; 박성주; 정준모

doi:10.5574/ksoe.2016.30.4.268

쇄빙선 강재의 내충격 특성에 관한 실험적 연구: 제1부 강재 특성
Study on Crashworthiness of Icebreaker Steel: Part I Steel Properties 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.30 no.4, 2016년, pp.268 - 276

노명현 (포스코 철강솔루션센터) , 이재익 (포스코 철강솔루션센터) , 박성주 (인하대학교 조선해양공학과) , 정준모 (인하대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a study on the crashworthiness of the scaled-down stiffened panels used on a Korean icebreaker. In order to validate the crashworthiness of the panels, this paper provides various mechanical properties such as the results of a CVN test, quasi-static tensile test, and high-speed tensile test at arctic temperatures. Two types of steels (EH32 and FH32) were chosen for the material tests. CVN tests revealed that the two steels were equivalent up to −60℃ in terms of their impact energy absorption capacity. However, the toughness of FH32 was significantly superior to that of EH32. EH32 showed slightly higher flow stresses at all temperature levels compared to FH32. The improvement ratios of the yield strengths, tensile strengths, plastic hardening exponents, etc. for FH32, which were obtained from quasi-static tensile tests, showed an apparent ascending tendency with a decrease in temperature. Dynamic tensile test results were obtained for the two temperatures levels of 20℃ and −60℃ with two plastic strain rate levels of 1 s−1 and 100 s−1. A closed form empirical formula proposed by Choung et al. (2011;2013) was shown to be effective at predicting the flow stress increase due to a strain rate increase.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

최근 국내의 한 철강 회사는 항복 강도 기준 315MPa 및 CVN 인성 기준 F 등급의 극지용 고장력강을 개발한 바 있다. 본 논문에서는 이 강재를 대상으로 수행된 소재 차원의 연구(파괴 인성 및 유동 응력 특성)와 구조 차원의 연구(낙하 충격 실험)에 대한 실험적 연구를 소개하고자 한다. 실험 내용의 방대함으로 인하여 제1부에서는 소재 차원의 실험 연구를 주로 소개하며, 2부에서는 구조 차원의 실험 및 수치 해석적 연구가 설명될 것이다.
본 연구는 쇄빙선과 같은 극한지 선박에 사용되는 강재의 내 충격 특성을 소재 및 구조 차원에서 종합적인 검증을 수행하기 위하여 실시되었다. 본 연구의 1부에서는 소재 차원의 연구를 다루고, 2부에서는 구조 차원의 연구 내용이 소개된다.

가설 설정

ASTM(2007)에 의거하여 σuni - εt,uni선도를 식 (1)을 이용하여 선형 회귀 분석(linear regression analysis)하여 n과 K를 얻을 수 있었다. 강재의 탄성 계수(Elastic modulus)를 206GPa로 가정하고, 이 기울기를 가지는 직선을 공칭 전 변형률 축상에서 0.2% 이동(옵셋)한 후 직선과 공칭 응력과의 교점을 s0 (공칭 항복 강도, Engineering yield strength)로 결정하였다. 이 s0를 식 (2)에 대입하여 σ0 (진 항복 응력, true yield strength)를 얻을 수 있었다.

제안 방법

고속 인장 실험은 실험의 불확실성에 높아진 관계로 FH32 강재에 대하여 2가지 온도 수준(20℃, -60℃)에 대하여 2가지 변형률 속도(1s-1, 100s-1)의 변형 속도로 실험이 수행되었다. 소성 변형률 속도의 증가에 따른 유동 응력의 증가세가 뚜렷하게 나타났다.
국내 철강사에서 제조한 EH32 및 FH32의 두가지 쇄빙선용 고장력강을 대상으로 5가지 온도 수준(20℃, -20℃, -40℃, -60℃, -80℃)에 따른 충격에너지 흡수 능력의 변화를 관찰하기 위하여 샤르피 충격 실험이 실시되었다. CVN 실험 결과 EH32 강재는 -60℃미만의 온도에서 취성화되는 것으로 판명되었으나, FH32 강재는 -80℃까지 충격 흡수에너지의 차이가 크지 않을 것으로 나타났다.
본 연구에서는 FH32 강재의 최소 요구 온도가 –60℃라는 점을 감안하여 상온(20℃)과 저온(-60℃)에 대하여 실험을 실시하였다. 소성 변형률 속도의 수준을 1s-1 및 100s-1으로 결정하였 는데, 100s-1은 쇄빙선이 얼음과의 충격에서 발생할 수 있는 최대 수준에 상응한다고 판단하였다.
MTS사의 25톤 만능 인장 실험기(Universal tensile test machine)의 유압식 지그(Jig)에 시편을 장착하고 시편과 지그를 감싸는 환경 챔버를 설치하였다. 액화 질소를 이용하여 환경 챔버 내부 온도를 강하시킨 후 준정적 저온 인장 실험을 실시하였다. FH32 강재를 대상으로 상온 및 저온(-80℃) 실험을 실시하는 사진을 예시적으로 Fig.

대상 데이터

고속 인장 실험은 FH32 강재에 한하여 실시되었다. CVN 실험 시편 및 준정적 인장 실험 시편의 제작에 사용된 FH32 강재 원판으로부터 두께 3mm 시편을 절단 가공하였다. 준정적 인장 실험과 마찬가지로 가공 열변형을 최소화하기 위하여 수냉식 와이어 커팅을 실시하였다.
단 준정적 인장 실험 시기가 CVN 실험 시기와 달라서 준정적 인장 실험 당시 상온은 약 20℃정도였다. 각 온도 수준 별로 2개씩의 시편이 가공되었고, 실험의 오류나 실패를 감안하여 5개의 시편을 추가 가공하였다(강재당 15개 가공).
8 (b)에 FH32 시편의 사진을 나타내었다. 각 온도와 변형률 속도 수준 별로 2개씩의 시편이 가공되었고, 실험의 오류나 실패를 감안하여 20여 개의 시편을 추가 가공하였다.
1에 보인 바와 같이 산업 규격(ASTM, 2012)에 의거하여 CVN 시편을 설계 및 제작하였다. 강재별로 제작 시편의 개수는 15개였다.
소성 변형률 속도의 수준을 1s-1 및 100s-1으로 결정하였 는데, 100s-1은 쇄빙선이 얼음과의 충격에서 발생할 수 있는 최대 수준에 상응한다고 판단하였다. 제2부에서 논의될 낙하 충격 굽힘 실험의 시뮬레이션으로부터 소성 변형률의 최대값이 결정되었지만, 상세한 내용에 대하여 제2부를 참고한다.
항복 강도 기준 315MPa 및 충격 인성 기준 E 등급 강재(이하 EH32로 통칭)와 항복 강도 기준 315MPa 및 충격 인성 기준 F등급 강재(이하 FH32로 통칭)의 두가지가 CVN 실험을 위하여 사용되었다. 원판의 두께는 모두 12mm였으며, 시편의 길이 방향이 원판의 가공 방향으로 배치되었다(파괴 방향은 원판 가공 직교 방향).

데이터처리

ASTM(2007)에 의거하여 σuni - εt,uni선도를 식 (1)을 이용하여 선형 회귀 분석(linear regression analysis)하여 n과 K를 얻을 수 있었다. 강재의 탄성 계수(Elastic modulus)를 206GPa로 가정하고, 이 기울기를 가지는 직선을 공칭 전 변형률 축상에서 0.

이론/모형

Fig. 1에 보인 바와 같이 산업 규격(ASTM, 2012)에 의거하여 CVN 시편을 설계 및 제작하였다. 강재별로 제작 시편의 개수는 15개였다.
본 연구에서는 Choung et al.(2015)에서 사용한 장비를 이용하여 고속 인장 실험을 실시하였다. Fig.
전술한 바와 같이 고속 인장 실험의 경우 많은 불확실성이 존재하여, 실험으로부터 완벽한 고속 인장 실험 데이터를 얻어내는 것이 매우 어려운 실정이다. 이러한 이유로 Cowper-Symonds(1957) 구성 방정식과 Choung et al.(2011)와 Choung et al.(2013)에 의하여 제안된 실험식을 이용하여 유동 응력의 증가를 관찰하여 보았다. 준정적 유동 응력은 변형률 속도 효과로 인하여 DHF(Dynamic hardening factor)배 만큼 유동 응력이 증가하는 것으로 알려져 있다.
준정적 인장실험을 실시하기 위하여 ASTM(2015)에 근거하여, Figure 3 (a)와 같은 형상의 시편을 설계하였다. 설계된 시편을 가공하기 위하여 CVN 시편을 제작한 두께 12mm 원판에서 가공 직교 방향으로 두께 3mm 시편을 절단 가공하였다.

성능/효과

국내 철강사에서 제조한 EH32 및 FH32의 두가지 쇄빙선용 고장력강을 대상으로 5가지 온도 수준(20℃, -20℃, -40℃, -60℃, -80℃)에 따른 충격에너지 흡수 능력의 변화를 관찰하기 위하여 샤르피 충격 실험이 실시되었다. CVN 실험 결과 EH32 강재는 -60℃미만의 온도에서 취성화되는 것으로 판명되었으나, FH32 강재는 -80℃까지 충격 흡수에너지의 차이가 크지 않을 것으로 나타났다.
소성 변형률 속도의 증가에 따른 유동 응력의 증가세가 뚜렷하게 나타났다. Choung et al.(2011)와 Choung et al.(2013)에 의하여 제시된 실험식을 Cowper-Symonds 구성 방정식에 적용하여 변형률 속도에 따른 유동 응력의 증가를 관찰한 결과 실험 결과에 상당히 일치하는 결과를 얻을 수 있었다.
동일한 두가지 강재에 대하여 준정적 인장 실험이 5가지 온도 수준에 대하여 실시되었으며, 온도의 강하에 따라 소재의 유동 응력이 증가하는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 온도의 강하에 따른 기계적 물성치의 변화를 관찰한 결과, FH32의 경우 온도의 강하에 따라 항복 강도, 인장강도, 소성 변형률 경화 지수, 강도 계수 등의 기계적 물성치가 선형적으로 향상됨을 확인하였다.
동일한 두가지 강재에 대하여 준정적 인장 실험이 5가지 온도 수준에 대하여 실시되었으며, 온도의 강하에 따라 소재의 유동 응력이 증가하는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 온도의 강하에 따른 기계적 물성치의 변화를 관찰한 결과, FH32의 경우 온도의 강하에 따라 항복 강도, 인장강도, 소성 변형률 경화 지수, 강도 계수 등의 기계적 물성치가 선형적으로 향상됨을 확인하였다.
고속 인장 실험은 실험의 불확실성에 높아진 관계로 FH32 강재에 대하여 2가지 온도 수준(20℃, -60℃)에 대하여 2가지 변형률 속도(1s-1, 100s-1)의 변형 속도로 실험이 수행되었다. 소성 변형률 속도의 증가에 따른 유동 응력의 증가세가 뚜렷하게 나타났다. Choung et al.

후속연구

내충격과 같이 비선형적인 구조 거동에 관한 문제에서는 비선형 유한 요소 해석에 의존하는 경우가 대부분인데, 비선형 유한 요소 해석은 설계의 검증 또는 설계의 피드백 차원에서 실시되기 때문에 결과의 정량성이 매우 중요하다. 결과의 정량성을 담보하기 위해서는 온도에 따른 소재의 기계적 물성치의 변화를 비선형 유한 요소 해석의 입력 데이터로 정의해야 하지만, 통계적으로 유의미한 충분한 실험이 동반되어야 할 것이다. 또한 대부분의 선급 규칙(Rules of classification societies)이나 유관 산업 규격은 아직도 저온 물성치의 변화에 대한 확실한 근거를 제시하지 못한다.
향후 연구로서 강재의 내충격 물성치 확보를 위해서 좀 더 다양한 고속 인장 실험이 실시되어야 할 것이다. 다양한 변형률 속도 수준과 다양한 온도 수준에 대한 실험적 검증이 요구된다. 극한지용 선박에 사용되는 소재는 내충격 물성치 뿐만 아니라 균열 진전(Crack propagation)에 관한 재료 물성치도 매우 중요한 의미를 가진다.
극한지용 선박에 사용되는 소재는 내충격 물성치 뿐만 아니라 균열 진전(Crack propagation)에 관한 재료 물성치도 매우 중요한 의미를 가진다. 특히 컨테이너선의 쇄빙 능력 확보를 위해서는 극후판의 CTOD(Crack tip opening displacement)와 균일 전파(Crack growth rate)와 같은 소재 물성치의 확보에 대한 연구가 필수적이다.
향후 연구로서 강재의 내충격 물성치 확보를 위해서 좀 더 다양한 고속 인장 실험이 실시되어야 할 것이다. 다양한 변형률 속도 수준과 다양한 온도 수준에 대한 실험적 검증이 요구된다.

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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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