[논문]600 MPa급 고강도 일반 및 내진 철근의 미세조직, 경도와 인장 특성

서하늘; 이상인; 황병철

doi:10.3740/mrsk.2017.27.9.477

600 MPa급 고강도 일반 및 내진 철근의 미세조직, 경도와 인장 특성
Microstructure, Hardness and Tensile Properties of 600 MPa-Grade High-Strength and Seismic Resistant Reinforcing Steels 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.27 no.9, 2017년, pp.477 - 483

서하늘 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 이상인 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 황병철 (서울과학기술대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This present study deals with the microstructure and tensile properties of 600 MPa-grade high strength and seismic resistant reinforcing steels. The high strength reinforcing steel (SD 600) was fabricated by Tempcore processing, while the seismic resistant reinforcing steel (SD 600S) was air-cooled after hot-rolling treatment. The microstructure analysis results showed that the SD 600 steel specimen consisted of a tempered martensite and ferrite-pearlite structure after Tempcore processing, while the SD 600S steel specimen had a fully ferrite-pearlite structure. The room-temperature tensile test results indicate that, because of the enhanced solid solution and precipitation strengthening caused by relatively higher contents of C, Mn, Si and V in the SD 600S steel specimen, this specimen, with fully ferrite-pearlite structure, had yield and tensile strengths higher than those of the SD 600 specimen. On the other hand, the hardness of the SD 600 and SD 600S steel specimens changed in different ways according to location, dependent on the microstructure, ferrite grain size, and volume fraction.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

25 이상이 되어야 하는데 이는 지진이나 충격 등의 외부 하중이 철근 구조물에 가해질 경우 철근이 항복 이후 소성 변형이 일어나는 과정에서 외부 에너지를 충분히 흡수하기 위해서이다. 본 연구에서는 항복 강도 600 MPa를 가진 일반 고강도 철근과 내진 고강도 철근에 대해 미세조직, 경도 및 인장 특성을 비교함으로써 미세조직과 기계적 특성의 상관관계를 이해하고, 이를 통해 향후 600 MPa 이상의 초고강도 내진 철근 개발에 도움이 되고자 하였다.

제안 방법

2 % off-set한 유동응력을 항복 강도로 하고, 불연속 항복 거동을 보인 경우 하부 항복점을 항복 강도로 규정하였다. 또한 인장 강도, 균일 연신율(uniform elongation) 및 총 연신율(total elongation)을 측정하여 미세조직과 인장 특성의 상관관계를 고찰하고자 하였다.
본 연구에서는 화학 조성 및 제조 공정에 따라 달리 제조된 고강도 일반 철근과 내진 철근의 미세조직, 결정립 크기, 펄라이트 분율 등을 분석하고, 상온 경도 및 인장 시험을 실시하여 미세조직적 인자들과 기계적 특성의 상관관계에 대해 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 철근 시편은 동국제강(주)으로부터 공급받은 600 MPa 급 고강도 일반 철근과 고강도 내진 철근이며, 이들의 자세한 화학 조성 및 범위는 Table 1에 나와 있다. 본 연구에서는 항복 강도 600 MPa 급고강도 일반 및 내진 철근 시편을 편의상 ‘SD 600’ 및 ‘SD 600S’로 표기하였다.
본 연구에서 사용된 철근은 1,100ºC 이상에서 재가열한 후 900ºC 이상에서 직경 16 mm로 열간 압연하였다. 열간 압연 이후 고강도 일반 철근은 템프코어(Tempcore) 공정을 통해 수냉 처리를 실시하였고, 고강도 내진 철근은 공냉 처리하여 제조하였다.
본 연구에서 사용된 항복 강도 600 MPa급 고강도 일반 철근 시편의 표준 규격은 항복 강도 600~780 MPa, 인장 강도(tensile strength, TS)는 항복 강도의 1.08배 이상, 총 연신율 10 % 이상 등으로 나타나며, 항복 강도 600 MPa급 고강도 내진 철근 시편의 표준 규격은 항복 강도 600~720 MPa, 인장 강도는 항복 강도의 1.25배 이상, 총 연신율 10 % 이상 등으로 나타난다.⁸⁾ 특히 내진용으로 설계된 철근은 항복 강도 대비 인장 강도(TS/ YS비)가 1.25 이상이 되어야 하는데 이는 지진이나 충격 등의 외부 하중이 철근 구조물에 가해질 경우 철근이 항복 이후 소성 변형이 일어나는 과정에서 외부 에너지를 충분히 흡수하기 위해서이다.

성능/효과

1) 고강도 일반 SD 600 철근 시편의 경우 템프코어 과정에서 표면부에는 마르텐사이트나 베이나이트와 같은 경화층이 형성되지만, 중앙부에는 페라이트-펄라이트 조직이 형성되었다. 이후 공냉 시 표면부와 중심부의 온도 구배가 나타나는데, 이때 중심에서 표면으로의 열전달에 의해 표면에 형성된 저온 변태 조직이 템퍼링된다.
3) 고강도 내진 SD 600S 철근 시편의 경우 모든 부위에서 페라이트-펄라이트 조직이 나타나며, 250~300 Hv 사이의 유사한 경도를 가진다. 두께별 위치에 따른 경도 변화를 자세히 살펴보면, 표면부로 갈수록 경도가 대체로 감소한다.
4) 상온 인장 시험 결과 고강도 내진 SD 600S 철근 시편의 경우 고강도 일반 SD 600 철근 시편보다 높은 항복 강도를 보였는데, 이는 화학 조성의 C, Mn, Si 및 V 함량이 상대적으로 높아 고용 및 석출 강화 효과가 크기 때문이다. 또한 고강도 내진 SD 600S 철근 시편의 경우 고강도 일반 SD 600 철근 시편보다 인장 강도가 크게 높아 상대적으로 우수한 항복 강도 대비 인장 강도 값을 나타내었다.

후속연구

인장 시험 시 소성변형이 일어남에 따라 축적되는 변형에너지도 증가하지만 변형률 속도가 빨라짐에 따라 연화는 지연되기 때문에 변형률 속도가 빠를수록 응력이 증가하는 경향을 나타내기 때문이다.²¹⁾ 그러나 현재 KS 철근 인장 시험 규격에는 변형률 속도에 대한 명확한 규정이 없기 때문에 향후 철근 시편의 인장 특성을 보다 엄밀하게 평가하기 위해서는 변형률 속도를 고려한 인장 시험 규격의 개선이 필요할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	600MPa급 이상의 초강도강 내진 철근 개발을 위해 이해해야 하는 철근의 특성은?	1-5) 실제로 항복 강도(yield strength, YS) 300~500 MPa급 일반 강도의 철근 제품을 사용할 경우 수직 부재의 단면이 증가한 만큼 철근의 소요량이 많아지면서 자재 비용의 상승으로 수요자의 경제적인 부담이 커지는 문제점이 있다. 최근 내진 철근 규격 KS D 3504에서는 항복 강도 600 MPa급까지 반영되었지만, 앞으로 보다 높은 항복 강도와 내진 성능을 갖는 600 MPa급 이상의 초강도강 내진 철근을 개발하기 위해서는 다양한 제조 방법으로 제조된 상용 고강도 철근의 미세조직, 경도, 인장 특성을 우선적으로 이해하는 것이 필수적이다.1-8)
	항복 강도 600 MPa급 고강도 내진 철근의 인장 강도가 항복 강도의 1.25배 이상이어야 하는 이유는?	8) 특히 내진용으로 설계된 철근은 항복 강도 대비 인장 강도(TS/ YS비)가 1.25 이상이 되어야 하는데 이는 지진이나 충격 등의 외부 하중이 철근 구조물에 가해질 경우 철근이 항복 이후 소성 변형이 일어나는 과정에서 외부 에너지를 충분히 흡수하기 위해서이다. 본 연구에서는 항복 강도 600 MPa를 가진 일반 고강도 철근과 내진 고강도 철근에 대해 미세조직, 경도 및 인장 특성을 비교함으로써 미세조직과 기계적 특성의 상관관계를 이해하고, 이를 통해 향후 600 MPa 이상의 초고강도 내진 철근 개발에 도움이 되고자 하였다.
	고강도 내진 철근이 주목받는 이유는?	최근 건물의 고층화와 세계 곳곳에서 발생하는 지진으로 인해 건축물의 안전에 대한 중요성이 커지면서 초고층/초대형 건축물에 대한 안정성 확보와 국내의 증가하는 지진에 대비하여 내진 성능을 향상시킨 고강도 내진 철근이 큰 관심을 받고 있다.1-5) 실제로 항복 강도(yield strength, YS) 300~500 MPa급 일반 강도의 철근 제품을 사용할 경우 수직 부재의 단면이 증가한 만큼 철근의 소요량이 많아지면서 자재 비용의 상승으로 수요자의 경제적인 부담이 커지는 문제점이 있다.

참고문헌 (21)

S. Y. Lee, H. C. Lee, C. S. Park, K. M. Woo and Y. T. Suh, J. Korea Concrete Inst., 22, 28 (2010).
A. N. Ivoditov, Y. U. N. Alekseev snd N. P. Kozlov, Steel in the USSR, 15, 297 (1985).

상세보기
P. Simon, M. Economopoulos and P. Nilles, Iron Steel Eng., 61, 53 (1984).
P. Simon, M. Economopoulos and P. Nilles, Metall. Plant Technol., 84, 80 (1984).
B. Hwang, J. H. Shim, M. G. Lee, J. Lee, J. H. Jung, B. S. Kim and S. B. Won, Korean J. Met. Mater., 54, 862 (2016).

상세보기
K. T. Park, K. G. Jin, S. H. Han, S. W. Hwang, K. Choi and C. S. Lee, Mater. Sci. Eng. A, 527, 3651 (2010).

상세보기
D. Porter, Phase Transformations in Metals and Alloys, 3rd ed., p.536, K. E. Easterling, CRC Press, USA (2009).
Korean Standards Association, KS D 3504 (2016).
S. Y. Eum, H. M. Park and T. W. Nam, J. Korea Foundry Soc., 20, 29 (2000).
N. K. Park, H. S. Lee and Y. S. Chae, Korean J. Mater. Res., 17, 555 (2007).

원문보기 상세보기
C. M. Sellars and J. A. Whiteman, Met. Sci., 13, 101 (1979).
D. H. Ju, B. S. Jang, Y. M. Lim and J. H. Koh, J. Korea Academia-Industrial Cooperation Soc., 13, 1939 (2012).

원문보기 상세보기
R. L. Bodnar and S. S. Hansen, Metall. Mater. Trans. A, 25, 665 (1994).

상세보기
U. Helmersson, S. Todorova, S. A. Barnett, J. E. Sundgren, L. C. Markert and J. E. Greene, J. Appl. Phys., 62, 481 (1987).

상세보기
J. R. Patel and A. R. Chaudhuri, J. Appl. Phys., 34, 2788 (1963).

상세보기
T. Kataoka and T. Yamada, Jpn. J. Appl. Phys., 16, 1119 (1977).

상세보기
A. H. Chokshi, A. Rosen, J. Karch and H. Gleiter, Scripta Metall., 23, 1679 (1989).

상세보기
J. C. M. Li and Y. T. Chou, Metall. Mater. Trans., 1, 1145 (1970).

상세보기
T. Gladman, Mater. Sci. Technol., 15, 30 (1999).

상세보기
H. Kubo, K. Nakamura, S. Farjami and T. Maruyama, Mater. Sci. Eng. A, 378, 343 (2004).

상세보기
D. Hull and D. J. Bacon, International Series on Materials Science and Technology, 37, 248 (1984).

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