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문제 정의
- 즉, 압연 횟수 및 1회 압하율 등의 압연 조건은 오스테나이트에서 페라이트로의 변태 시 조직의 형성에 큰 영향을 주는 전위의 생성과 밀접하게 연관되어 있다.28-30) 본 연구에서는 재결정이 활발히 일어나는 온도 구간인 조압연 공정은 동일하기 때문에 재결정이 일어나지 않는 사상압연 공정에서의 압연 조건이 미세조직에 미치는 영향에 대해 고찰하였다. L 강은 낮은 마무리 압연 온도와 높은 압하율, M 강은 중간의 마무리 압연 온도와 낮은 압하율, H 강은 높은 마무리 압연 온도와 높은 압하율 조건을 각각 적용하여 제조되었다.
- 따라서, 본 연구에서는 압연 조건을 변화시켜서 3 종류의 80 mm 두께를 갖는 해양플랜트용 후판강을 제조하고 이들의 미세조직을 분석하였다. 그리고 상온에서 인장 및 샤르피 충격 시험을 실시하여 미세조직과 기계적 특성의 상관관계를 규명하였다.
- 그리고 저온에서 샤르피 충격시험을 진행하여 용접열영향부의 저온 인성을 평가하고, 파면을 분석하여 파괴기구를 조사하였다. 이상의 결과로부터 해양플랜트용 후판강의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 압연 조건의 영향을 규명하고자 하였다.
제안 방법
- 모재는 상온에서, 용접열영향부 모사 시편은 -40 ℃에서 각각 ASTM E23에 따라 샤르피 충격 시험을 실시하였다. -40 ℃에서 샤르피 충격 시험한 용접열영향부 모사 시편의 파면을 주사전자현미경으로 관찰하여 파괴 거동을 분석하였다.
- Figs. 5~7에 -40 ℃에서 샤르피 충격 시험한 시편의 파면을 주사전자현미경으로 관찰하여 나타내었다. 샤르피 충격 시편의 파면은 파괴 개시, 파괴 전파, 파괴 끝단의 영역으로 구분되며 이를 나누어 관찰하였다.
- 28-30) 본 연구에서는 재결정이 활발히 일어나는 온도 구간인 조압연 공정은 동일하기 때문에 재결정이 일어나지 않는 사상압연 공정에서의 압연 조건이 미세조직에 미치는 영향에 대해 고찰하였다. L 강은 낮은 마무리 압연 온도와 높은 압하율, M 강은 중간의 마무리 압연 온도와 낮은 압하율, H 강은 높은 마무리 압연 온도와 높은 압하율 조건을 각각 적용하여 제조되었다. 미재결정 온도 영역인 사상압연 공정에서의 압연 횟수가 증가하여 1회 압하율이 감소할수록 강재 내부에는 전위의 형성이 두께 중심부까지 고르게 일어나지 못하고, 표면에 가까운 부분에서만 국부적으로 일어나게 된다.
- 4에 연성 및 취성 파괴된 용접열영향부 모사 시편의 미세조직을 광학현미경으로 관찰하여 나타내었다. L-H 시편과 H-H 시편의 경우, 연성 파괴된 샤르피 충격 시편(가장 높은 샤르피 충격 에너지를 갖는 시편)과 취성 파괴된 샤르피 충격 시편(가장 낮은 샤르피 충격 에너지를 갖는 시편)의 미세조직을 각각 관찰하였다. MH 시편의 경우, 취성 파괴된 시편(가장 낮은 샤르피 충격 에너지를 갖는 시편)의 미세조직만을 관찰하였다.
- L-H 시편과 H-H 시편의 경우, 연성 파괴된 샤르피 충격 시편(가장 높은 샤르피 충격 에너지를 갖는 시편)과 취성 파괴된 샤르피 충격 시편(가장 낮은 샤르피 충격 에너지를 갖는 시편)의 미세조직을 각각 관찰하였다. MH 시편의 경우, 취성 파괴된 시편(가장 낮은 샤르피 충격 에너지를 갖는 시편)의 미세조직만을 관찰하였다. 침상형 페라이트(Acicular Ferrite, AF), 입상형 베이나이트, 베이나이트계 페라이트(Bainitic Ferrite, BF), 마르텐사이트로 구분하였다.
- 후판강의 기계적 특성을 평가하기 위하여 경도시험, 인장시험, 샤르피 충격 시험을 진행하였다. 경도 측정은 비커스 경도기를 사용하였고, 하중은 500 g, 하중 유지 시간은 10 s로 설정하였다. 인장시편은 강재의 두께 1/4의 위치에서 압연방향에 수직한 방향(transverse direction)으로 채취하였으며, 지름 50 mm, 표점 거리 200 mm의 봉상 시편으로 가공하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 압연 조건을 변화시켜서 3 종류의 80 mm 두께를 갖는 해양플랜트용 후판강을 제조하고 이들의 미세조직을 분석하였다. 그리고 상온에서 인장 및 샤르피 충격 시험을 실시하여 미세조직과 기계적 특성의 상관관계를 규명하였다. 또한 용접공정모사를 통해 용접열영향부 시편을 제조하고, 그 미세조직을 분석하였다.
- 또한 용접공정모사를 통해 용접열영향부 시편을 제조하고, 그 미세조직을 분석하였다. 그리고 저온에서 샤르피 충격시험을 진행하여 용접열영향부의 저온 인성을 평가하고, 파면을 분석하여 파괴기구를 조사하였다. 이상의 결과로부터 해양플랜트용 후판강의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 압연 조건의 영향을 규명하고자 하였다.
- 그리고 상온에서 인장 및 샤르피 충격 시험을 실시하여 미세조직과 기계적 특성의 상관관계를 규명하였다. 또한 용접공정모사를 통해 용접열영향부 시편을 제조하고, 그 미세조직을 분석하였다. 그리고 저온에서 샤르피 충격시험을 진행하여 용접열영향부의 저온 인성을 평가하고, 파면을 분석하여 파괴기구를 조사하였다.
- 강들은 초기 슬라브 두께가 300 mm이고, 최종 판재 두께는 80 mm이다. 마무리 압연 온도가 증가함에 따라서 L, M, H 강으로 구분하였다. L 강과 H 강은 조압연/사상압연 횟수 및 1회 압하율은 거의 동일하다.
- 모든 시편의 압연 롤이 닿는 면(longitudinal-transvers plane)을 2,000 grit의 사포로 연마 후, 1 µm 다이아몬드 서스펜션으로 미세연마하였다.
- 샤르피충격 시험에 사용된 시편도 강재의 두께 1/4의 위치에서 크기는 10 × 10 × 55 mm로 채취하였으며, 시편과 V노치의 방향은 각각 압연방향에 수직한 방향(transverse direction)과 압연방향에 평행한 방향(longitudinal direction)이다. 모재는 상온에서, 용접열영향부 모사 시편은 -40 ℃에서 각각 ASTM E23에 따라 샤르피 충격 시험을 실시하였다. -40 ℃에서 샤르피 충격 시험한 용접열영향부 모사 시편의 파면을 주사전자현미경으로 관찰하여 파괴 거동을 분석하였다.
- 5~7에 -40 ℃에서 샤르피 충격 시험한 시편의 파면을 주사전자현미경으로 관찰하여 나타내었다. 샤르피 충격 시편의 파면은 파괴 개시, 파괴 전파, 파괴 끝단의 영역으로 구분되며 이를 나누어 관찰하였다. 연성 파괴된 L-H 시편과 연성 파괴된 H-H 시편의 경우, 파괴 개시, 파괴 전파, 파괴 끝단이 모두 연성파면으로 관찰되며, 균열 진전 방향으로 파면이 쓸린 모양이 잘 나타난다.
- 용접열영향부를 모사하기 위해서 Fig. 1의 열 사이클을 적용하여 MTCS 장비(Thermorestor-W, Fuji Electronic Industrial Co., Tokyo, Japan)로 CGHAZ(Coarse-Grain Heat Affected Zone) 조직을 구현하였다. MTCS 장비에 사용된 시편의 크기는 11 × 11 × 60이고, Fig.
- 모든 강은 1050~1150 ℃에서 오스테나이트화 열처리를 2시간 동안 진행하였다. 이후 공랭을 하면서 압연 공정을 거치게 되는데, 이 때 조압연/사상압연 횟수, 1회 압하율, 마무리 압연 온도를 다르게 조절하여 3 종류의 후판강으로 제조되었다. 강들은 초기 슬라브 두께가 300 mm이고, 최종 판재 두께는 80 mm이다.
- 모든 시편의 압연 롤이 닿는 면(longitudinal-transvers plane)을 2,000 grit의 사포로 연마 후, 1 µm 다이아몬드 서스펜션으로 미세연마하였다. 이후 나이탈 용액(에탄올+질산)으로 에칭하여, 광학현미경을 사용하여 조직을 관찰하였다.
- 인장시험은 만능시험기를 사용하여 10−3/s의 변형 속도로 상온에서 실시하였다.
- MH 시편의 경우, 취성 파괴된 시편(가장 낮은 샤르피 충격 에너지를 갖는 시편)의 미세조직만을 관찰하였다. 침상형 페라이트(Acicular Ferrite, AF), 입상형 베이나이트, 베이나이트계 페라이트(Bainitic Ferrite, BF), 마르텐사이트로 구분하였다. 침상형 페라이트는 다각형 페라이트 보다 빠른 냉각속도에서 형성되고, 결정립의 크기가 수 µm정도이고, 결정립계에 미세한 크기의 경질상이 분포하여, 강도와 저온 인성이 우수한 조직이다.
- 후판강의 기계적 특성을 평가하기 위하여 경도시험, 인장시험, 샤르피 충격 시험을 진행하였다. 경도 측정은 비커스 경도기를 사용하였고, 하중은 500 g, 하중 유지 시간은 10 s로 설정하였다.
대상 데이터
- 미세조직 분석을 위하여 후판강의 두께 1/4 지점에서 조직 관찰용 시편을 채취하였다. 모든 시편의 압연 롤이 닿는 면(longitudinal-transvers plane)을 2,000 grit의 사포로 연마 후, 1 µm 다이아몬드 서스펜션으로 미세연마하였다.
- 샤르피충격 시험에 사용된 시편도 강재의 두께 1/4의 위치에서 크기는 10 × 10 × 55 mm로 채취하였으며, 시편과 V노치의 방향은 각각 압연방향에 수직한 방향(transverse direction)과 압연방향에 평행한 방향(longitudinal direction)이다.
- 경도 측정은 비커스 경도기를 사용하였고, 하중은 500 g, 하중 유지 시간은 10 s로 설정하였다. 인장시편은 강재의 두께 1/4의 위치에서 압연방향에 수직한 방향(transverse direction)으로 채취하였으며, 지름 50 mm, 표점 거리 200 mm의 봉상 시편으로 가공하였다. 인장시험은 만능시험기를 사용하여 10−3/s의 변형 속도로 상온에서 실시하였다.
성능/효과
- 1) 마무리 압연 온도가 낮은 L 강의 미세조직은 작은 결정립의 준다각형 페라이트와 펄라이트이고, 마무리 압연 온도가 높은 H 강의 미세조직은 L강의 미세조직과 비슷하나 일부 큰 결정립의 입상형 베이나이트가 관찰되었다. 사상압연 횟수가 증가하여 1회 압하율이 감소된 M 강에서는 H 강에 비해 더 조대한 입상형 베이나이트가 관찰되었다.
- 2) L 강은 항복강도와 인장강도가 가장 높고, 연신율은 가장 낮다.
- 3) 용접열영향부 조직을 비교하면, L-H 시편에서 작은 결정립을 갖는 침상형 페라이트와 베이나이트계 페라이트 조직이 관찰되었고, H-H 시편에서는 입상형 베이나이트가 관찰되었다. M-H 시편에서는 조대한 입상형 베이나이트와 베이나이트계 페라이트가 형성되었다.
- 4) 마무리 압연 온도가 증가할수록 용접열영향부 시편의 경도가 감소하는데, 이는 치밀한 구조의 결정립을 갖는 침상형 페라이트 보다 낮은 경도를 갖는 조대한 결정립의 입상형 베이나이트가 증가하기 때문이다. 마무리 압연 온도가 증가할수록 용접열영향부 시편의 샤르피 충격 에너지는 감소하였고 L-H 시편의 저온 인성이 가장 우수하였다.
- 항복강도와 인장 강도는 L, M, H 강의 순으로 감소하며, 연신율은 그 반대이다. 가공경화능을 나타내는 항복비(=항복강도/인장강도)는 L 강과 M 강이 비슷하였으며, H 강의 항복비는 가장 낮았다. 모든 강들의 상온 샤르피 충격 에너지는 470 J 이상으로 우수하였다.
- 마무리 압연 온도가 770 ℃이고 사상압연이 6회 적용되어 압하율이 낮았던 M-H 시편은 샤르피 충격 시험시 모두 취성으로 파괴되었고, 낮은 경도와 낮은 샤르피 충격 에너지를 가지는데, 이는 조대한 결정립의 입상형 베이나이트나 베이나이트계 페라이트 때문이다. 결과적으로 작고 치밀한 결정립을 갖는 침상형 페라이트가 많이 형성된 용접열영향부 시편에서 높은 경도와 샤르피 충격 에너지를 가졌으며, 경도와 샤르피 충격 에너지는 비례하는 상관관계를 가졌다. 이상의 결과로부터 모재 및 용접열영향부의 기계적 특성이 우수한 해양플랜트용 후판강의 제조를 위해서는 마무리 압연 온도를 낮추고, 1회 압하율을 높게 유지하여 조대한 미세조직의 형성을 억제하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있었다.
- 4) 마무리 압연 온도가 증가할수록 용접열영향부 시편의 경도가 감소하는데, 이는 치밀한 구조의 결정립을 갖는 침상형 페라이트 보다 낮은 경도를 갖는 조대한 결정립의 입상형 베이나이트가 증가하기 때문이다. 마무리 압연 온도가 증가할수록 용접열영향부 시편의 샤르피 충격 에너지는 감소하였고 L-H 시편의 저온 인성이 가장 우수하였다. M-H 시편은 샤르피 충격 시험 시 모두 취성으로 파괴되었고, 가장 낮은 경도와 샤르피 충격 에너지를 가지는데, 이는 조대한 결정립의 입상형 베이나이트나 베이나이트계 페라이트 때문이다.
- 가공경화능을 나타내는 항복비(=항복강도/인장강도)는 L 강과 M 강이 비슷하였으며, H 강의 항복비는 가장 낮았다. 모든 강들의 상온 샤르피 충격 에너지는 470 J 이상으로 우수하였다.
- 2의 빨간색 세모 표시 부분). 모든 시편의 미세조직은 형태학적 구분으로 분류되었으며, 준다각형 페라이트는 강재가 압연 공정을 거치면서 불규칙적인 형상으로 페라이트 결정립이 성장한 것으로 다각형 페라이트 보다 결정립 내부의 전위 밀도가 약간 더 높다.23-25) L 강의 준다각형 페라이트 결정립 크기는 5~10 µm이고, 펄라이트 결정립 크기는 3~5 µm로 층상구조는 뚜렷하지않다.
- 마무리 압연 온도가 740 ℃로 가장 낮고 사상압연이 4회 적용된 L 강은 항복강도와 인장강도가 가장 높고, 연신율은 가장 낮다. 반면, 사상압연 횟수는 같지만 마무리 압연 온도가 790 ℃로 가장 높은 H 강은 항복강도, 인장강도, 항복비가 가장 낮고, 연신율은 가장 높았다. 마무리 압연 온도가 770 ℃이고 사상압연이 6회 적용된 M 강에서는 펄라이트의 크기와 분율이 L 강에 비해 작고, 조대한 입상형 베이나이트가 형성되면서 강도와 연신율이 L 강에 비해 감소하였다.
- 결과적으로 작고 치밀한 결정립을 갖는 침상형 페라이트가 많이 형성된 용접열영향부 시편에서 높은 경도와 샤르피 충격 에너지를 가졌으며, 경도와 샤르피 충격 에너지는 비례하는 상관관계를 가졌다. 이상의 결과로부터 모재 및 용접열영향부의 기계적 특성이 우수한 해양플랜트용 후판강의 제조를 위해서는 마무리 압연 온도를 낮추고, 1회 압하율을 높게 유지하여 조대한 미세조직의 형성을 억제하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있었다.
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