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문제 정의
- 현재 망간과 바나듐 등의 다양한 합금원소 함량과 열처리 조건에 따라 변화되는 미세조직 인자가 페라이트-펄라이트 조직강의 강도와 변형능 특성에 영향을 주지만, 이에 대한 체계적인 연구는 다소 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 망간 및 바나듐의 합금원소 함량과 등온 변태 온도에 따라 다양하게 변화되는 페라이트 결정립 크기, 펄라이트 분율, 층상 간격 및 시멘타이트 두께 등의 미세조직 인자를 정량적으로 분석하고, 인장시험을 실시하여 강도와 변형능 특성에 미치는 미세조직 인자의 영향에 대해 고찰하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 페라이트-펄라이트 조직강에 대하여 망간 및 바나듐 함량과 등온 변태 온도에 따른 6 종류의 시편을 제조한 후 미세조직 인자를 정량적으로 측정하고, 인장 시험을 실시하여 미세조직 인자와 인장 특성 간의 상관관계를 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 합금원소 함량 및 등온 변태 온도에 따라 서로 다른 미세조직을 갖는 6 종류의 시편을 제조한 후 상온 인장 실험을 실시하여 얻은 공칭 응력-변형률 곡선을 Fig. 4에 나타내고, 그 결과를 Table 2에 정리하였다. 시편들의 항복 거동을 살펴보면(Fig.
- 3 × 10−3/sec의 변형률 속도로 상온에서 인장 시험하였다. 인장 시험 후 응력-변형률 곡선으로부터 얻는 항복 강도(yield strength)는 불연속 항복 거동을 나타내는 경우 하부 항복점(lower yield point)을 항복 강도로 하고, 연속 항복 거동을 보이는 시편들은 응력-변형률 곡선에서 0.2 % 상쇄한 유동응력(flow stress)을 항복 강도로 정의하였으며, 인장 강도(tensile strength), 항복비 및 균일 연신율 등을 측정하였다.
- 제조된 시편들의 미세조직은 판재의 옆(L-S, longditudinalshort-transverse)면을 기계적 연마하고 3 % 나이탈 용액으로 에칭한 후 광학현미경 및 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope, AIS800C, SERON, Korea)을 이용하여 관찰하였다. 망간 및 바나듐 함량과 등온변태 온도에 따른 초석 페라이트 및 펄라이트 분율은 영상 분석기(image analyzer)를 사용하여 측정하였고, 펄라이트내 시멘타이트 두께는 측정된 펄라이트 분율 및 층상 간격과 O’Donnelly가 제시한 아래의 식을 이용하여 계산하였다.
- 한편 망간 및 바나듐 함량과 등온 변태 온도에 따라 달리 제조된 시편들의 인장 특성을 평가하기 위해 본 연구에서는 ASTM E8의 표준시험법에 따라 압연 방향(longditudinal)으로 표점 거리 25 mm, 직경 6.3 mm의 subsize 봉상 인장 시편을 제조한 후 10톤 용량의 만능시험기(UT-100E, MTDI, Korea)를 사용하여 3.3 × 10−3/sec의 변형률 속도로 상온에서 인장 시험하였다.
데이터처리
- 이들은 900 ℃에서 15분간 오스테나이트화 처리를 실시한 후 550 ℃ 또는 650 ℃에서 15분간 등온 변태(isothermal transformation) 처리를 실시하여 각 강재 별로 미세조직이 다른 2 종류의 시편을 제조하였다. 제조된 시편의 열처리 조건에 따른 석출물의 형성을 살펴보기 위해 MatCalc 소프트웨어를 이용하여 석출물 분율(precipitate fraction)을 계산하였고, 그 결과를 Fig. 1에 나타내었다. 같은 열처리 조건에서 V 시편은 다른 시편들에 비해 시간에 따라 석출되는 VC 탄화물의 양이 많으며, 높은 열처리 온도에서 그 양이 보다 증가되는 것을 알 수 있다.
이론/모형
- 망간 및 바나듐 함량과 등온변태 온도에 따른 초석 페라이트 및 펄라이트 분율은 영상 분석기(image analyzer)를 사용하여 측정하였고, 펄라이트내 시멘타이트 두께는 측정된 펄라이트 분율 및 층상 간격과 O’Donnelly가 제시한 아래의 식을 이용하여 계산하였다.
성능/효과
- 1) Mn 시편은 가장 높은 펄라이트 분율을 나타냈는데, 이는 높은 망간 함량에 의해 페라이트 생성이 억제되었기 때문이다. 반면 V 시편은 다른 시편들에 비해 낮은 펄라이트 분율 및 미세한 페라이트 결정립 크기를 나타냈는데, 이는 높은 바나듐 함량에 의해 형성된 많은 석출물들의 오스테나이트 결정립계 고착 효과 때문이다.
- 2) 항복 강도는 페라이트 결정립 크기가 미세하고, 석출물의 분율이 높은 V 시편이 가장 높았으며, 인장 강도는 펄라이트 분율이 높은 Mn 시편이 가장 높은 결과를 나타냈다. 또한 높은 등온 변태에서 모든 시편의 인장 강도는 증가하였는데, 이는 낮은 등온 변태 온도에 비해 많은 VC 석출물이 형성되었기 때문이다.
- 3) 항복비 및 균일 연신율에 미치는 미세조직 인자의 영향을 분석한 결과 페라이트 결정립 크기가 감소할수록 항복비가 증가한 반면, 균일 연신율은 특정 미세조직 인자에 의한 영향을 보이지 않는다. 이는 항복비의 경우 결정립 미세화에 의한 항복 강도 증가가 큰 영향을 미쳤기 때문으로 판단되며, 균일 연신율의 경우 여러 미세조직 인자들의 복합적인 영향을 받기 때문으로 생각된다.
- 2 및 3에 나타내었다. 광학현미경 관찰 결과를 보면(Fig. 2), 시편들의 미세조직은 모두 초석 페라이트-펄라이트 조직이고, 압연 방향에 따라 연신된 층상구조를 보였다. 주사전자현미경을 통한 펄라이트 관찰 결과를 보면(Fig.
- 반면 인장 강도의 경우 Mn 시편에서 가장 높았는데, 이는 높은 펄라이트 분율이 가공경화를 증가시켰기 때문이다. 따라서 항복 강도를 인장 강도로 나눈 값인 항복비의 경우 항복 강도가 높지 않고, 인장 강도가 높은 Base 및 Mn 시편이 비교적 낮은 결과를 보였다. 균일연신율의 경우 합금원소에 따라 큰 차이가 없었다.
- 반면 V 시편은 다른 시편들에 비해 낮은 펄라이트 분율 및 미세한 페라이트 결정립 크기를 나타냈는데, 이는 높은 바나듐 함량에 의해 형성된 많은 석출물들의 오스테나이트 결정립계 고착 효과 때문이다. 또한 높은 등온 변태 온도에서 낮은 펄라이트 분율과 조대한 페라이트 결정립 크기, 층상 간격 및 시멘타이트 두께를 나타냈는데, 이는 펄라이트 핵생성 과냉도의 감소 및 열적 활성화에 의한 것으로 판단된다.
- 또한 등온 변태 온도에 따른 미세조직 인자의 변화를 살펴보면(Table 1), 모든 시편에서 낮은 등온 변태 온도에서는 높은 등온 변태 온도에 비해 높은 펄라이트 분율을 보였고, 미세한 페라이트 결정립 크기, 펄라이트 층상 간격 및 시멘타이트 두께를 나타내었다. 이는 페라이트 결정립 크기의 경우 높은 등온 변태 온도에서 열적 활성화에 의해 페라이트 결정립 크기가 조대화된 반면, 펄라이트 분율, 층상 간격 및 시멘타이트 두께의 경우 낮은 등온 변태 온도에서 펄라이트 생성 과냉도가 증가하여 핵생성 구동력이 상대적으로 크기 때문이다.
- 또한 등온 변태 온도에 따른 인장 특성 변화를 살펴보면(Table 2), 항복 강도의 경우 등온 변태 온도에 따른 변화는 크지 않는 반면, 인장 강도의 경우 높은 등온 변태 온도에서 증가하였고, 이로 인해 항복비 또한 감소하였다. 이는 석출물 분율의 증가가 가공경화에 큰 영향을 미쳤기 때문으로 판단되는데, 일반적으로 전위가 기지(matrix)와의 계면이 부정합(incoherent)인 석출물들 사이를 지나가는 과정에서 서로 엉켜 축적되면서 가공경화를 증가시킨다고 보고되고 있다.
- 6에 펄라이트 분율, 페라이트 결정립 크기, 층상 간격 및 시멘타이트 두께에 따른 항복비와 균일 연신율의 변화를 나타냈다. 먼저 미세조직 인자에 따른 항복비의 변화를 살펴보면(Fig. 5), 페라이트 결정립 크기가 증가함에 따라 항복비가 대체로 감소하는 경향을 보였다. 항복비는 항복 강도를 인장 강도로 나눈 값으로 항복 및 인장 강도를 나누어 각 인장 특성에 영향을 미치는 미세조직 인자가 항복비에 미치는 영향에 대해 고찰해 볼 필요가 있다.
- 2), 시편들의 미세조직은 모두 초석 페라이트-펄라이트 조직이고, 압연 방향에 따라 연신된 층상구조를 보였다. 주사전자현미경을 통한 펄라이트 관찰 결과를 보면(Fig. 3), 펄라이트 내의 시멘타이트가 아공석강에서 흔히 관찰되는 일부 단절된 형상과 전형적인 층상구조를 이루고 있었다. 광학현미경 및 주사전자현미경 관찰 결과로부터 미세조직의 변화를 정량적으로 측정하여 Table 1에 나타내었다.
후속연구
- 일반적으로 페라이트 결정립 크기의 미세화는 강재의 강도를 증가시키며, 페라이트-펄라이트 분율에 따라 페라이트 결정립 크기 또는 펄라이트 층상 간격 및 시멘타이트 두께가 강도에 미치는 영향이 달라진다.9,10) 이러한 페라이트-펄라이트 조직강의 강도와 변형능 특성은 대체로 반비례 관계를 가지기 때문에 높은 변형능 특성을 유지하면서 강도를 확보하기 위해서는 합금원소 첨가에 의해 변화되는 미세조직 인자에 관한 연구가 필요하다. 특히 망간(Mn)은 고용 강화에 효과적인 합금원소로 치환형 고용체를 형성하여 오스테나이트 결정립에서의 페라이트 핵생성을 억제한다.
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