[논문]P-No. 1 탄소강의 기계적 특성과 미세조직에 미치는 용접후열처리의 영향

이승건; 강용준; 김기동; 강성식

doi:10.5781/jwj.2017.35.1.26

P-No. 1 탄소강의 기계적 특성과 미세조직에 미치는 용접후열처리의 영향
Effect of Post-Weld Heat Treatment on the Mechanical Properties and Microstructure of P-No. 1 Carbon Steels 원문보기

Journal of welding and joining = 대한용접·접합학회지, v.35 no.1, 2017년, pp.26 - 33

이승건 (한국기계연구원 부설 재료연구소 접합기술연구실) , 강용준 (한국기계연구원 부설 재료연구소 접합기술연구실) , 김기동 (한국기계연구원 부설 재료연구소 접합기술연구실) , 강성식 (한국원자력안전기술원 원자력안전연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

This study aims to investigate the suitability of requirement for post-weld heat treatment(PWHT) temperature when different P-No. materials are welded, which is defined by ASME Sec. III Code. For SA-516 Gr. 60 and SA-106 Gr. B carbon steels that are typical P-No. 1 material, simulated heat treatment were conducted for 8 h at $610^{\circ}C$, $650^{\circ}C$, $690^{\circ}C$, and $730^{\circ}C$, last two temperature falls in the temperature of PWHT for P-No. 5A low-alloy steels. Tensile and Charpy impact tests were performed for the heat-treated specimens, and then microstructure was analyzed by optical microscopy and scanning electron microscopy with energy-dispersive spectrometry. The Charpy impact properties deteriorated significantly mainly due to a large amount of cementite precipitation when the temperature of simulated heat treatment was $730^{\circ}C$. Therefore, when dissimilar metal welding is carried out for P-No. 1 carbon steel and different P-No. low alloy steel, the PWHT temperature should be carefully selected to avoid significant deterioration of impact properties for P-No. 1 carbon steel.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

5A 에 맞춰 모의 열처리 시험을 수행하였다. 또한 용접후열처리에 따른 기계적 물성 및 미세조직 변화를 관찰하여 원자력 발전소에서 빈번히 사용되는 P-No. 1 탄소강에 대한 용접후열처리 온도의 적절성을 확인하고자 한다.

제안 방법

P-No. 1 탄소강(SA-516 Gr. 60, SA-106 Gr. B)를 대상으로 모의 열처리에 따른 기계적 특성 및 미세조직의 변화를 관찰하였고, 다음의 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 P-No. 1 탄소강과 P-No. 5A 저합금강이 용접될 때를 가정하여 용접후열처리 온도를 P-No. 5A 에 맞춰 모의 열처리 시험을 수행하였다. 또한 용접후열처리에 따른 기계적 물성 및 미세조직 변화를 관찰하여 원자력 발전소에서 빈번히 사용되는 P-No.

대상 데이터

용접후열처리에 따른 P-No. 1 탄소강의 기계적 성질의 변화를 확인하기 위하여 P-No. 1 재료 특성을 대표하며, 원전에서 빈번히 사용되는 SA-516 Gr. 60(50mm t) 및 SA-106 Gr. B(46mm t)를 대상으로 모의 열처리 및 기계적 시험을 수행하였다. 참고로 SA-516은 ‘중, 저온 압력용기용 탄소강 판’이고, SA-106은 ‘고온용 이음매 없는 탄소강관’이며, 해당 재료들은 용접절차인정 을 위해 모재를 화학조성에 따라 구분할 때 P-No.

이론/모형

모의 열처리 전과 후 재료를 대상으로 Fig. 3과 같이 시편을 채취하여 ASME Section II, SA-370에 따라 인장시험 및 Charpy 충격시험을 수행하였다. 이때, 인장시험은 상온에서 수행하였으며, Charpy 충격시험은 3℃의 온도에서 실시하였다.

성능/효과

1) 인장시험을 통해 도출된 인장강도는 모의 열처리 온도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다.
2) 충격시험을 통해 도출된 횡팽창량 및 흡수에너지는 모의 열처리 온도가 증가함에 따라 감소하였고, 730℃의 모의 열처리 온도에서 현저히 감소하였다.
14에 나타낸 바와 같이 모의 열처리 온도가 730℃일 때 펄라이트의 구상화가 상당히 진행되었음을 확인할 수 있었다. 모의 열처리 후 구상화된 펄라이트에 대한 경도를 측정한 결과, SA-516 Gr. 60의 경우 평균값이 166.0 Hv이었고 SA-106 Gr. B 의 경우 207.7 Hv로, 모의 열처리 전과 비교해서 각 각 63.0 Hv와 49.0Hv 감소하는 것으로 확인되었다. 따라서 모의 열처리 온도가 730℃ 일 때 시멘타이트의 석출양이 현저하게 증가하는 것은 펄라이트 조직 내의 시멘타이트가 구상화되면서 일부 용해된 후 결정립계에서 석출하였기 때문인 것으로 사료되며^14,15), 이로 인해 충격 특성의 감소가 더 급격하게 나타나는 것으로 보인다(Fig.

후속연구

4) 따라서 P-No. 1 탄소강을 P-No. 5A 등의 저합 금강과 용접할 경우, 기술기준에 따른 용접후열처리 요건을 적용하게 될 때 기계적 물성 저하가 발생될 수 있으므로 용접후열처리 온도를 700℃ 미만으로 가급적 낮게 선택하거나, 용접설계 시 버터링을 고려하여 버터링 및 본 용접 후 각각 용접후열처리를 수행하는 것이 인성 저하를 방지할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ASME Section III, NB/NC/ND에 따르면 서로 다른 재료를 이종용접할 경우 용접후열처리는 어떤 모재를 기준으로 수행하여야 하는가?	한편, 원자력발전소에는 서로 다른 재료로 제작된 두 개의 압력기기를 용접할 경우가 많은데, 상기 기술기준 에서는 서로 다른 두 재료를 용접할 경우 용접후열처리는 더 높은 온도 범위를 갖는 모재를 기준으로 용접후 열처리를 수행하도록 규정하고 있다. 이러한 경우 용접후열처리 온도가 낮은 재료의 기계적 성질이 저하될 가능성이 크므로 사전 모의 열처리 시험을 통해 높은 온도의 용접후열처리 조건에 대한 적절성을 반드시 확인해야 한다.
	사전 모의 열처리 시험은 무엇을 위해 실시하는가?	한편, 원자력발전소에는 서로 다른 재료로 제작된 두 개의 압력기기를 용접할 경우가 많은데, 상기 기술기준 에서는 서로 다른 두 재료를 용접할 경우 용접후열처리는 더 높은 온도 범위를 갖는 모재를 기준으로 용접후 열처리를 수행하도록 규정하고 있다. 이러한 경우 용접후열처리 온도가 낮은 재료의 기계적 성질이 저하될 가능성이 크므로 사전 모의 열처리 시험을 통해 높은 온도의 용접후열처리 조건에 대한 적절성을 반드시 확인해야 한다. 예를 들어 배관 재료(P-No.
	ASME Section III, NB/NC/ND에서 용접 후 Table 1과 같은 용접후열처리(PWHT)를 수행하도록 규정하고 있는 것은 용접 공정이 기기에 어떤 영향을 끼칠 수 있기 때문인가?	원자력발전소에는 다양한 재료로 제작된 압력기기들이 서로 용접을 통해 연결되어 있다. 용접 공정은 반복적인 팽창 및 수축으로 인해 용접 잔류응력을 발생시키고, 열영향부(HAZ)에 경(hard)하고 인성(toughness) 이 낮은 미세조직을 형성시켜 기기의 건전성을 저하시킬 수 있다. 따라서 원자력발전소 안전등급 기기의 제작 기술기준인 ASME Section III, NB/NC/ND에서는 용접에 따른 열영향부의 인성 저하를 방지하기 위해 용접 후 Table 1과 같은 조건으로 용접후열처리(Post Weld Heat Treatment, PWHT)를 수행하도록 규정 하고 있다1-6).

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