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문제 정의
- 본연구에서는 300kJ/cm의 용접 입열량 하에서 1150℃와 1250의 최고온도를 갖는 HAZ를 재현하였으며 이를 각각 HAZ 1, HAZ 2로 구분하여 평가를 진행하였다. 최근 들어 자동차용 박판소재 뿐만 아니라 장갑차 판재와 같은 후판소재에 대해서도 경량철강을 적용해보고자 하는 연구들이 있으며 이에 따라 본 연구에서는 후판재의 용접조건에 해당하는 대입열(300kJ/cm)HAZ를 모사하였다. 한편, 용접조건에 따른 HAZ 열사이클(Fig.
제안 방법
- Fig. 1에 따라 제조된 모재에 대해서 Gleeble simulator를 이용하여 HAZ를 재현하였으며, Fig. 2는 이에 대한 상세한 열-응력 사이클을 보여주고 있다. 본연구에서는 300kJ/cm의 용접 입열량 하에서 1150℃와 1250의 최고온도를 갖는 HAZ를 재현하였으며 이를 각각 HAZ 1, HAZ 2로 구분하여 평가를 진행하였다.
- 9C (wt%) 경량철강을 제조하였으며 이에 대한 모재 및 용접열영향부(Heat-Affected Zone, HAZ)의 미세조직 및 기계적 성질을 평가하였다. HAZ는 Gleeble simulator를 이용하여 300 kJ/cm의 입열량 하에서 HAZ 최고온도를 1150℃, 1250℃로 변화시켜 재현하였다. V과 Nb첨가에 따른 모재 및 용접영향부의 미세조직 변화를 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscopy, SEM)과 투과전자현미경 (Transmission Electron Microscopy, TEM)을 이용하여 관찰하였으며, 미세조직 변화에 따른 물성변화를 비커스경도시험 및 인장시험을 통해 평가하였다.
- HAZ의 기지조직에 대해 보다 면밀하게 확인하기 위해 TEM 분석을 실시 하였으며 다음의 Fig. 7은 대표적으로 B steel의 HAZ 1 샘플에 대한 TEM 분석결과이다. 오스테나이트 기지에 규칙상인 κ-탄화물이 발달하고 있다.
- 모재 및 HAZ의 미세조직 및 석출물은 주사전자현미경(SEM)과 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 관찰하였다. TEM 미세조직 관찰을 위한 샘플은 먼저 기계적 연마를 통해 thin foil 시편을 제작한 후 이를 퍼크롤릭산(10%)과 메탄올(90%)의 혼합용액에서 twin jetpolishing을 실시하여 제작하였다. 모재 및 HAZ의 기계적 특성은 인장시험을 통해 평가하였으며, 이때 인장시험은 1.
- Table 1의 화학성분을 갖는 잉곳을 진공유도용해(Vacuum Induction Melting, VIM) 방법을 통해 제조하였으며 Fig. 1의 스케쥴은 따라 열간압연 및 용체화 열처리를 실시하였다. 열간압연을 위한 재가열 온도와 용체화 처리 온도는 각각 기존 문헌 보고를 참고하여 오스테나이트 단상 역에서 선택하였다1-3).
- 9C (in wt%) 경량철강을 제조하였으며 화학성분 분석결과를 Table 1에 제시하였다. Table에서 확인할 수 있듯이 각 합금에 V, Nb를 단독 또는 복합 첨가하였으며 그 함량은 각각 0.5wt% (V),0.03~0.15wt% (Nb)로 달리하여 첨가하였다.
- HAZ는 Gleeble simulator를 이용하여 300 kJ/cm의 입열량 하에서 HAZ 최고온도를 1150℃, 1250℃로 변화시켜 재현하였다. V과 Nb첨가에 따른 모재 및 용접영향부의 미세조직 변화를 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscopy, SEM)과 투과전자현미경 (Transmission Electron Microscopy, TEM)을 이용하여 관찰하였으며, 미세조직 변화에 따른 물성변화를 비커스경도시험 및 인장시험을 통해 평가하였다.
- 모재 및 HAZ의 기계적 특성은 인장시험을 통해 평가하였으며, 이때 인장시험은 1.33×10-3 seconds-1의 변형률 속도에서 실시하였다.
- 모재 및 HAZ의 미세조직 및 석출물은 주사전자현미경(SEM)과 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 관찰하였다. TEM 미세조직 관찰을 위한 샘플은 먼저 기계적 연마를 통해 thin foil 시편을 제작한 후 이를 퍼크롤릭산(10%)과 메탄올(90%)의 혼합용액에서 twin jetpolishing을 실시하여 제작하였다.
- 본 연구에서는 Nb, V를 첨가한 5종의 오스테나이트계 Fe-30Mn-9Al-0.9C (wt%) 경량철강에 대한 모재 및 HAZ의 미세조직을 분석하고 이에 따른 기계적 성질을 평가하였으며 주요 결과는 아래와 같다.
- 본 연구에서는 Nb, V를 첨가한 5종의 오스테나이트계 Fe-30Mn-9Al-0.9C (wt%) 경량철강을 제조하였으며 이에 대한 모재 및 용접열영향부(Heat-Affected Zone, HAZ)의 미세조직 및 기계적 성질을 평가하였다. HAZ는 Gleeble simulator를 이용하여 300 kJ/cm의 입열량 하에서 HAZ 최고온도를 1150℃, 1250℃로 변화시켜 재현하였다.
- 2는 이에 대한 상세한 열-응력 사이클을 보여주고 있다. 본연구에서는 300kJ/cm의 용접 입열량 하에서 1150℃와 1250의 최고온도를 갖는 HAZ를 재현하였으며 이를 각각 HAZ 1, HAZ 2로 구분하여 평가를 진행하였다. 최근 들어 자동차용 박판소재 뿐만 아니라 장갑차 판재와 같은 후판소재에 대해서도 경량철강을 적용해보고자 하는 연구들이 있으며 이에 따라 본 연구에서는 후판재의 용접조건에 해당하는 대입열(300kJ/cm)HAZ를 모사하였다.
- 1의 스케쥴은 따라 열간압연 및 용체화 열처리를 실시하였다. 열간압연을 위한 재가열 온도와 용체화 처리 온도는 각각 기존 문헌 보고를 참고하여 오스테나이트 단상 역에서 선택하였다1-3). 즉, Fig에서 확인할 수 있듯이 먼저 잉곳을 1150℃에서 2시간 유지 후 900℃ 이상의 온도에서 최종 두께 12mm까지 열간압연 후 수냉 하였으며 이를 다시 1050℃로 승온하여 2시간 동안 용체화 열처리 후 수냉하여 모재 샘플을 제작하였다.
- 용체화 열처리 후 모재의 미세조직을 SEM을 이용하여 관찰 하였으며 이를 Fig. 3에 정리하였다, 모재는 오스테나이트 기지로 구성되어 있으며 다량의 V을 첨가한 B steel과 C steel의 경우에는 조대한 석출물들(Fig. 3의 white dots)이 입계 및 입내에 분포하고 있는 것을 확인하였다. 이러한 석출물의 종류를 분석하기 위하여TEM 분석을 실시하였다.
- 3의 white dots)이 입계 및 입내에 분포하고 있는 것을 확인하였다. 이러한 석출물의 종류를 분석하기 위하여TEM 분석을 실시하였다. Fig.
- 열간압연을 위한 재가열 온도와 용체화 처리 온도는 각각 기존 문헌 보고를 참고하여 오스테나이트 단상 역에서 선택하였다1-3). 즉, Fig에서 확인할 수 있듯이 먼저 잉곳을 1150℃에서 2시간 유지 후 900℃ 이상의 온도에서 최종 두께 12mm까지 열간압연 후 수냉 하였으며 이를 다시 1050℃로 승온하여 2시간 동안 용체화 열처리 후 수냉하여 모재 샘플을 제작하였다.
- 즉, A steel은 가장 낮은 강도를 가지며 Nb를 단독 첨가한 D, E steel이 가장 높은 강도를 갖는다. 한편, Fig. 8(b)에서 D steel의 경우에 인장시험 시, 항복 이후 소성변형 중에 불완전하게 시험이 종료되었으나 본 연구에서는 D steel의 인장시험 결과를 항복강도 만을 확인하는 데에 활용하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 Nb, V를 첨가한 5종의 오스테나이트계 Fe-30Mn-9Al-0.9C (in wt%) 경량철강을 제조하였으며 화학성분 분석결과를 Table 1에 제시하였다. Table에서 확인할 수 있듯이 각 합금에 V, Nb를 단독 또는 복합 첨가하였으며 그 함량은 각각 0.
이론/모형
- 최근 들어 자동차용 박판소재 뿐만 아니라 장갑차 판재와 같은 후판소재에 대해서도 경량철강을 적용해보고자 하는 연구들이 있으며 이에 따라 본 연구에서는 후판재의 용접조건에 해당하는 대입열(300kJ/cm)HAZ를 모사하였다. 한편, 용접조건에 따른 HAZ 열사이클(Fig. 2)은 식 1의 Rosenthal 방정식을 이용하여 계산하였다6).
성능/효과
- 2) B~E steel 탄화물 석출에 따른 결정립 성장 억제 효과에 의해 A steel 대비하여 모재 및 HAZ 모두 미세한 결정립 크기를 가지는 것으로 확인되었다.
- 3) A steel에 비해 V, Nb를 첨가한 합금들이 모재및 HAZ 모두 높은 인장강도와 항복강도를 가지는 것으로 확인되었으며, 이는 석출물에 의한 결정립 미세화 및 석출강화 효과에 따른 결과로 확인되었다.
- 4) 용접 열사이클 중의 결정립 성장거동에도 불구하고HAZ 1은 모재 대비하여 높은 항복강도를 가졌으며, 이는 κ-탄화물의 규칙화에 따른 효과로 확인되었다. HAZ2의 경우에는 κ-탄화물의 규칙화 거동에도 불구하고HAZ 1 또는 모재 대비 낮은 항복강도를 가졌으며 이는 과도한 결정립성장에 따른 결과이다.
- 6은 B steel의 모재 및 HAZ 미세조직을 비교한 결과이다. Fig에서 확인할 수 있듯이 모재 대비하여 HAZ는 조대한 결정립 크기를 가지며 HAZ의 최고온도가 증가할수록 결정립 크기는 더욱 증가하였다. 기존 문헌 보고를 참고할 때8), 이러한 결과는 고온의HAZ 열사이클 도중에 발생한 오스테나이트 결정립 성장에 따른 결과로써 오스테나이트 단상을 갖는 시험 합금들의 미세조직을 고려할 때 모재 대비 HAZ의 강도를 떨어뜨리는 인자로 작용할 것으로 판단된다.
- HAZ 1의 경우에는 결정립 성장 거동에도 불구하고 κ-탄화물의 규칙화가 진행됨에 따라 항복강도가 상승하였으나, HAZ 2의 경우에는 과도한 결정립 성장(Fig. 6 참조)에 따라 규칙화가 진행되고 있음에도 불구하고 항복강도가 낮아지는 것으로 확인되었다.
- 9는 각 합금의 모재와 HAZ의 항복강도를 비교한 결과이며, Fig에서 확인할 수 있듯이, 모든 합금들에서 동일한 경향을 확인하였다. 즉, 모재 대비, HAZ 1에서 항복강도가 크게 증가하였으며 최고온도가 증가함에 따라 HAZ 2에서는 강도가 다시 감소하였다. 이러한 결과는 앞서 설명한 HAZ 결정립 성장거동 및 κ-탄화물의 규칙화 거동과 관련이 깊다.
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