[논문]베이나이트계 후판강의 모재 및 열영향부의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 화학 조성의 영향

조성규; 주형건; 신상용

doi:10.3740/mrsk.2019.29.4.211

베이나이트계 후판강의 모재 및 열영향부의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 화학 조성의 영향
Effect of Chemical Compositions on Microstructure and Mechanical Properties of Base Metal and HAZ of Bainitic Steel Plates 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.29 no.4, 2019년, pp.211 - 220

조성규 (현대제철 기술연구소) , 주형건 (현대제철 기술연구소) , 신상용 (울산대학교 첨단소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, three kinds of bainitic steel plates are manufactured by varying the chemical compositions and their microstructures are analyzed. Tensile and Charpy impact tests are performed at room and low temperature to investigate the correlation between microstructure and mechanical properties. In addition, heat affected zone (HAZ) specimens are fabricated by a simulation of welding processes, and the HAZ microstructure is analyzed. The base steel that has the lowest carbon equivalent has the highest volume fraction of acicular ferrite and the lowest volume fraction of secondary phases, so the strength is the lowest and the elongation is the highest. The Mo steel has a higher volume fraction of granular bainite and more secondary phases than the base steel, so the strength is high and the elongation is low. The CrNi steel has the highest volume fraction of the secondary phases, so the strength is the highest and elongation is the lowest. The tensile properties of the steels, namely, strength and elongation, have a linear correlation with the volume fraction of secondary phases. The Mo steel has the lowest Charpy impact energy at $-80^{\circ}C$ because of coarse granular bainite. In the Base-HAZ and Mo-HAZ specimens, the hardness increases as the volume fraction of martensite-austenite constituents increases. In the CrNi-HAZ specimen, however, hardness increases as the volume fraction of martensite and bainitic ferrite increases.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

05 wt%로 증가시켜 Mo의 영향을 알아보고자 하였다. CrNi 강은 탄소당량이 0.44 %로 가장 높고, Mo 강에 비해 Mo의 함량은 감소시키고, Cr과 Ni을 2배 증가시켜 Ni과 Cr의 영향을 알아보고자 하였다. 모든 강은 1,000~1,200 ℃에서 오스테나이트화 열처리를 2시간 동안 진행하였다.
40 %으로 가장 낮고, Mo, Cr, Ni의 함량도 가장 낮다. Mo 강은 탄소당량이 0.41 %이고, Base 강에 비해 Mo의 함량을 0.05 wt%로 증가시켜 Mo의 영향을 알아보고자 하였다. CrNi 강은 탄소당량이 0.
따라서, 본 연구에서는 화학 조성을 달리한 3종류의 베이나이트계 후판강을 제조하고 이들의 미세조직을 분석하였다. 그리고 상온에서 인장 시험을 실시하고, 저온에서 샤르피 충격 시험을 실시하여 모재의 미세조직과 기계적 특성의 상관관계를 규명하였다.
또한 용접공정모사를 통해 열영향부 시편을 제조하고, 그 미세조직을 분석하였다. 이상의 결과로부터 베이나이트강의 모재와 열영향부의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 화학 조성의 영향을 규명하고자 하였다.

제안 방법

철강의 기계적 특성을 평가하기 위하여 경도 시험, 인장 시험, 샤르피 충격 시험을 진행하였다. 경도 측정은 비커스 경도기를 사용하였고, 하중은 500 g, 하중 유지 시간은 10s로 설정하였다. 인장 시편은 강재의 두께 1/4의 위치에서 압연 방향에 수직한 방향(transverse direction)으로 채취하였으며, 지름 50 mm, 표점 거리 200 mm의 봉상 시편으로 가공하였다.
5의 Le Pera 에칭으로 나타난 사진을 이미지 분석 프로그램으로 분석하여 측정하였다. 광학 현미경 사진에서는 색깔의 구분으로 쉽게 흰색의 M-A 상을 구분할 수 있으며, 이를 통해 각 시편의 MA 상의 크기, 형상, 분율을 측정하였다. 나머지 조직의분율은 Fig.
따라서, 본 연구에서는 화학 조성을 달리한 3종류의 베이나이트계 후판강을 제조하고 이들의 미세조직을 분석하였다. 그리고 상온에서 인장 시험을 실시하고, 저온에서 샤르피 충격 시험을 실시하여 모재의 미세조직과 기계적 특성의 상관관계를 규명하였다. 또한 용접공정모사를 통해 열영향부 시편을 제조하고, 그 미세조직을 분석하였다.
그리고 상온에서 인장 시험을 실시하고, 저온에서 샤르피 충격 시험을 실시하여 모재의 미세조직과 기계적 특성의 상관관계를 규명하였다. 또한 용접공정모사를 통해 열영향부 시편을 제조하고, 그 미세조직을 분석하였다. 이상의 결과로부터 베이나이트강의 모재와 열영향부의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 화학 조성의 영향을 규명하고자 하였다.
2에 모재의 미세조직을 광학현미경으로 관찰하여 나타내었다. 베이나이트계조직은 형태학적 특징으로 구분하였다.^23-25) 모든 강은 침상형 페라이트(acicular ferrite,AF)가 주 조직을 이루고 있으며, 입상형 베이나이트(granular bainite, GB)가 함께 관찰된다.
열영향부를 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. Fig.
모든 시편의 압연 롤이 닿는 면(longitudinal-transvers plane)을 2,000 grit의 사포로 연마 후, 1 µm 다이아몬드 서스펜션으로 미세 연마하였다. 이후 나이탈 용액(에탄올+질산)과 Le Pera 용액으로 에칭하여, 광학 현미경 및 주사전자현미경(SEM,scanning electron microscope)을 사용하여 조직을 관찰하였다.
인장 시험은 만능시험기를 사용하여 10−3/s의 변형 속도로 상온에서 실시하였다.
철강의 기계적 특성을 평가하기 위하여 경도 시험, 인장 시험, 샤르피 충격 시험을 진행하였다. 경도 측정은 비커스 경도기를 사용하였고, 하중은 500 g, 하중 유지 시간은 10s로 설정하였다.

대상 데이터

샤르피 충격 시험에 사용된 시편도 강재의 두께 1/4의 위치에서 크기는 10×10×55 mm로 채취하였으며, 시편과 V-노치의 방향은 각각 압연 방향에 수직한 방향(transverse direction)과 압연 방향에 평행한 방향(longitudinal direction)이다. 모재는 -20 ~ -80℃에서 ASTM E23에 따라 샤르피 충격 시험을 실시하였다.
미세조직 분석을 위하여 철강의 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 미세 연마하였다.
샤르피 충격 시험에 사용된 시편도 강재의 두께 1/4의 위치에서 크기는 10×10×55 mm로 채취하였으며, 시편과 V-노치의 방향은 각각 압연 방향에 수직한 방향(transverse direction)과 압연 방향에 평행한 방향(longitudinal direction)이다.
경도 측정은 비커스 경도기를 사용하였고, 하중은 500 g, 하중 유지 시간은 10s로 설정하였다. 인장 시편은 강재의 두께 1/4의 위치에서 압연 방향에 수직한 방향(transverse direction)으로 채취하였으며, 지름 50 mm, 표점 거리 200 mm의 봉상 시편으로 가공하였다. 해양플랜트의 건설에 사용되는 후판강의 경우, 선급 규정에서 후판강의 압연 방향에 수직한 방향(transverse direction)으로 인장 시편을 채취하고 인장 시험하도록 권고하고 있다.

데이터처리

4와 5에 열영향부 모사 시편의 미세조직을 광학현미경으로 관찰하여 나타내고, Table 5에 각 미세조직의 분율과 비커스 경도를 측정하여 나타내었다. Table 5에서 M-A 분율은 Fig. 5의 Le Pera 에칭으로 나타난 사진을 이미지 분석 프로그램으로 분석하여 측정하였다. 광학 현미경 사진에서는 색깔의 구분으로 쉽게 흰색의 M-A 상을 구분할 수 있으며, 이를 통해 각 시편의 MA 상의 크기, 형상, 분율을 측정하였다.
광학 현미경 사진에서는 색깔의 구분으로 쉽게 흰색의 M-A 상을 구분할 수 있으며, 이를 통해 각 시편의 MA 상의 크기, 형상, 분율을 측정하였다. 나머지 조직의분율은 Fig. 4의 나이탈 에칭한 사진을 이미지 분석 프로그램으로 분석하여 측정하였다. 용접 모사 시 입열량이 증가할수록 냉각속도는 느려지므로, 입열량이 13 kJ/cm인 시편들은 7 kJ/cm인 시편들에 비해 M와 BF의 분율이 감소하고, AF와 GB 분율이 증가한다.

성능/효과

1) 탄소당량이 가장 낮은 Base 강은 AF 분율이 90 %로 높고, 이차상의 분율은 4.0 %로 가장 낮아서 강도는 가장 낮지만, 연신율은 가장 높았다. Mo 강은 Base 강에 비해 50 µm 이상의 조대한 결정립을 갖는 GB 분율과 이차상 분율이 더 높아서 강도는 높지만, 연신율은 낮았다.
2) 모재의 -20 ℃ 샤르피 충격 에너지는 300 J 정도로 비슷하지만, 저온으로 갈수록 샤르피 충격 에너지의 감소폭은 강재에 따라 다르다. 조대한 GB 분율이 가장 높은 Mo 강과 이차상의 분율이 가장 높은 CrNi 강의 샤르피 충격 에너지는 Base 강에 비해 더 크게 감소하였다.
^15-19) 그리고 오스테나이트 안정화 원소인 Ni의 증가는 페라이트의 상변태를 지연시켜 저온변태조직의 형성을 유도한다.²⁰⁾따라서 본 연구에서도 탄소당량이 0.44 %로 가장 높은CrNi 강에서 가장 많은 5.7 %의 이차상이 관찰되었고, 이차상의 크기도 다른 강들에 비해 크다. Cr은 저온변태조직의 결정립을 미세화시키거나 전체 조직을 치밀화시킨다고 알려져 있다.
3) HAZ 시편의 주 조직이 BF인 경우, Mo-HAZ 시편이 Base-HAZ 시편보다 M-A 분율이 높고 M-A 크기가 커서 경도가 높았다. 하지만, 탄소당량이 가장 높은 CrNiHAZ 시편은 주 조직이 M+BF였으며, 이 때는 M-A 분율 보다는 M+BF의 분율이 높을수록 경도가 높았다.
Cr은 저온변태조직의 결정립을 미세화시키거나 전체 조직을 치밀화시킨다고 알려져 있다.³⁾ 이러한 이유 때문에 CrNi 강에서 관찰되는 GB는 Mo 강의 GB에 비해 결정립의 크기가 작다. Mo은 경화능 원소로서, 탄소의 확산을 억제시키고 오스테나이트 내 탄소 영역을 확대시켜서 저온변태조직의 형성을 유도하여 GB나 M-A 형성에 유리하며, 결정립 미세화 효과도 있다고 알려져 있다.
또한 M-A 분율이 증가하여도 M+BF 분율이 더 높은 HAZ시편에서 더 높은 경도를 갖는다. 결과적으로 주 조직이 BF와 AF인 HAZ 시편의 경우에는 M-A 분율이 높고 그 크기가 클수록 경도가 증가한다. 하지만, 주 조직이 M+BF인 HAZ 시편의 경우에는 M-A 분율보다M+BF 분율이 경도에 더 큰 영향을 주며, M+BF 분율이 증가할수록 경도가 증가하였다.
반면, Mo-HAZ 시편은 주 조직은 BF와 AF로 Base-HAZ 시편과 비슷하나, M-A 크기가 더 크기 때문에 더 높은 경도를 갖는다. 두 종류의 HAZ시편들은 모두 M-A 분율이 증가할수록 경도가 증가한다. CrNi-HAZ 시편은 주조직인 M+BF이기 때문에 MA분율이 낮음에도 불구하고 높은 경도를 가진다.
7 %로 가장 높아서 강도는 가장 높지만 연신율은 가장 낮았다. 모재의 강도와 연신율은 이차상 분율과 직선적으로 증가 또는 감소하는 상관관계를 가졌다.
7에 이차상의 분율에 따른 -60과 -80 ℃ 샤르피 충격 에너지의 상관관계를 그래프로 나타내었다. 저온에서의 샤르피 충격 에너지는 이차상 분율이 증가할수록 감소하였고, 그 편차도 매우 커졌다. 특히, Mo 강은 Base 강에 비해 이차상 분율은 0.
2) 모재의 -20 ℃ 샤르피 충격 에너지는 300 J 정도로 비슷하지만, 저온으로 갈수록 샤르피 충격 에너지의 감소폭은 강재에 따라 다르다. 조대한 GB 분율이 가장 높은 Mo 강과 이차상의 분율이 가장 높은 CrNi 강의 샤르피 충격 에너지는 Base 강에 비해 더 크게 감소하였다. 특히 -80 ℃에서는 조대한 GB를 갖는 Mo 강의 샤르피 충격 에너지가 가장 낮고 편차도 크다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	후판강은 무엇인가?	고강도 고인성을 갖는 후판강은 대형 구조물의 건설에 주로 사용되는 철강재료로서, 최근에는 극지방이나 심해저와 같은 곳에서 해양플랜트의 건설에 사용되기 위해서 기존보다 더욱 우수한 저온 인성을 가져야 한다. 이러한 후판강은 고강도와 고인성을 갖기 위해서 주로 베이나이트계 조직이 이용된다.
	베이나이트계 미세조직에서 Mo와 Cr은 어떤 작용을 하는가?	13-19) 열영향부의 저온 인성 향상을 위해서 많이 활용되는 원소인 Ni은 오스테나이트 안정화 원소로서, 페라이트의 상변태를 지연시켜 저온변태조직의 형성을 유도하며, 저온변태조직의 결정립을 미세하게 형성하는데 도움을 준다.20) 강도의 향상을 위해서 사용되는 Mo과 Cr은 고용강화 및 저온변태조직 형성을 돕는 원소이고, 합금량을 최적화함으로서 베이나이트계 미세조직을 치밀화 시킨다고 알려져 있다.3,21,22) 이러한 베이나이트계 후판강의 모재 및 열영향부의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 화학 조성의 영향이 정성적으로는 알려져 있으나, 최근 개발되는 다양한 화학 조성 및 제조 공정을 갖는 베이나이트계 후판강의 물성 향상을 위해서 더욱 정량적인 결과를 바탕으로 한 미세조직과 기계적 특성의 상관관계 분석이 더 많이 요구된다.
	베이나이트계 후판강의 미세조직을 분석하기 위해 사용한 시험법은?	따라서, 본 연구에서는 화학 조성을 달리한 3종류의 베이나이트계 후판강을 제조하고 이들의 미세조직을 분석하였다. 그리고 상온에서 인장 시험을 실시하고, 저온에서 샤르피 충격 시험을 실시하여 모재의 미세조직과 기계적 특성의 상관관계를 규명하였다. 또한 용접공정모사를 통해 열영향부 시편을 제조하고, 그 미세조직을 분석하였다.

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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