[논문]Pilot Plant를 이용한 600 MPa급 내진용 철근들의 제조, 미세조직과 기계적 특성 비교

홍태운; 황병철

doi:10.3740/mrsk.2019.29.6.349

Pilot Plant를 이용한 600 MPa급 내진용 철근들의 제조, 미세조직과 기계적 특성 비교
Microstructure and Mechanical Properties of 600 MPa-Grade Seismic Resistant Reinforced Steel Bars Fabricated by a Pilot Plant 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.29 no.6, 2019년, pp.349 - 355

홍태운 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 황병철 (서울과학기술대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study deals with the microstructure and tensile properties of 600 MPa-grade seismic reinforced steel bars fabricated by a pilot plant. The steel bar specimens are composed of a fully ferrite-pearlite structure because they were air-cooled after hot-rolling. The volume fraction and interlamellar spacing of the pearlite and the ferrite grain size decrease from the center region to the surface region because the surface region is more rapidly cooled than the center region. The A steel bar specimenwith a relatively high carbon content generally has a higher pearlite volume fraction and interlamellar spacing of pearlite and a finer ferrite grain size because increasing the carbon content promotes the formation of pearlite. As a result, the A steel bar specimen has a higher hardness than the B steel bar in all the regions. The hardness shows a tendency to decrease from the center region to the surface region due to the decreased pearlite volume fraction. On the other hand, the tensile-to-yield strength ratio and the tensile strength of the A steel bar specimen are higher than those of the B steel bar with a relatively low carbon content because a higher pearlite volume fraction enhances work hardening. In addition, the B steel bar specimen has higher uniform and total elongations because a lower pearlite volume fraction facilitates plastic deformation caused by dislocation slip.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 pilot plant를 이용하여 600 MPa급 두 내진용 철근을 제조한 후 미세조직, 경도 및 인장 특성을 비교하고, 이들의 미세조직과 기계적 특성의 상관관계를 이해하여 향후 항복 강도 700 MPa급 이상의 초고강도 내진 철근 개발에 활용하고자 하였다.

가설 설정

4. Variations in (a) pearlite volume fraction, (b) ferrite grain size and (c) interlamellar spacing plotted as function of location for the A and B steel bars with fully ferrite-pearlite structure.

제안 방법

2 % 상쇄한 유동응력을 항복 강도로 규정하였다. ¹⁾ 또한 인장 강도, 균일 연신율 및 총 연신율(total elongation)을 측정하여 미세조직과 인장 특성의 상관관계를 고찰하였다.
철근들의 탄소 당량(Ceq)은 항복 강도 600 MPa급 내진 철근에 관한 대한민국 철근 표준규격을 만족하였다. 두 성분의 철근에 대한 pilot plant 제조를 위하여 진공 용해 및 화학 분석을 거쳐 잉곳(ingot)을 제조한 후 빌렛(billet)에 용접하였고, 이를 900 o C 이 상에서 열간 압연한 후 공냉 공정을 통해 제조되었다. Fig.
본 연구에서는 pilot plant를 이용하여 제조된 600 MPa급 두 내진용 철근의 미세조직을 정량적으로 분석하고, 경도 및 인장 시험을 통해 미세조직과 기계적 특성의 상관관계를 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
5 N/mm² ·s, 항복점 이후의 변형증가율 50 %/min으로 상온에서 각 철근마다 3번의 인장 시험을 실시하였다. 인장 시험에 따른 응력-변형률 곡선으로부터 얻은 항복 강도는 불연속 항복 거동을 보인 경우 상부 항복점을 항복 강도로 하고, 연속 항복 거동을 보인 경우 0.2 % 상쇄한 유동응력을 항복 강도로 규정하였다. ¹⁾ 또한 인장 강도, 균일 연신율 및 총 연신율(total elongation)을 측정하여 미세조직과 인장 특성의 상관관계를 고찰하였다.
제조된 두 철근의 미세조직은 시편의 단면을 기계적으로 연마한 후 3 % 나이탈 용액으로 에칭하여 광학현미경 및 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope, AIS1800C, SERON, Korea)을 사용하여 관찰하였다. 페라이트 및 펄라이트 분율은 영상 분석기(image analyzer) 를 이용하여 측정하였고, 페라이트 결정립 크기는 ASTME 112 표준 시험법의 원형 교차 방법(circular intercept procedures)을 통해 측정하였다.
한편 항복 강도 600 MPa급 두 내진용 철근의 인장 특성을 평가하기 위해 본 연구에서는 표준 철근 인장 시 편 규격(KS B0801)에 따라 별도의 기계적 가공없이 표점 거리를 각 철근 지름의 8배, 물림 간격을 표점 거리 에 지름의 2배를 더한 길이를 철근에 표시한 후 100톤 용량의 만능재료시험기를 이용하여 표준 철근 인장 시험 규격(KS B0802)에 따라 항복점까지의 응력증가율 11.5 N/mm2 ·s, 항복점 이후의 변형증가율 50 %/min으로 상온에서 각 철근마다 3번의 인장 시험을 실시하였다.

이론/모형

Engineering stress-strain curves of the (a) A and (b) B steel bars. Room-temperature tensile test was performed according to KS D0802 specification.
제조된 두 철근의 미세조직은 시편의 단면을 기계적으로 연마한 후 3 % 나이탈 용액으로 에칭하여 광학현미경 및 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope, AIS1800C, SERON, Korea)을 사용하여 관찰하였다. 페라이트 및 펄라이트 분율은 영상 분석기(image analyzer) 를 이용하여 측정하였고, 페라이트 결정립 크기는 ASTME 112 표준 시험법의 원형 교차 방법(circular intercept procedures)을 통해 측정하였다. ⁹⁾

성능/효과

인장 강도는 항복 이후 가공경화의 영향을 크게 받는데, 일반적으로 페라이트-펄라이트 조직에서 펄라이트 분율이 높을수록 가공경화가 증가하여 인장 강도가 높아지며, 기지(matrix)와 부정합 (incoherency)을 이루는 석출물도 가공경화를 증가시킨다고 알려져 있다. 15-18) A 및 B 철근의 경우 펄라이트 분율의 차이는 큰 반면, 바나듐 함량의 차이는 적고, 두 철근 모두 0.15 wt% 이상의 높은 바나듐 함량을 가지고 있기 때문에 펄라이트 분율의 영향이 커서 A 철근의 인장 강도가 더 높게 나타났다. 따라서 항복 강도와 인장 강도의 비율인 항복비도 A 철근이 더 높은 것으로 판단된다.
6), A 철근의 경우 각 철근들의 연신율 차이가 크고, 일부 철근에서 조기 파단이 발생한 것을 확인할 수 있었다. A 및 B 철근들의 상온 인장 시험 후 파단된 철근들을 보면(Fig. 7), A #1 및 A #2 철근은 다른 철근들과는 다르게 네킹(necking)이 발생한 흔적이 거의 없었고, 특히 A #1 철근은 그립(grip)부에서 파단이 발생한 것을 확인할 수 있었다. 이는 B 철근에 비해 경한 조직인 펄라이트 분율이 높은 A 철근의 경우 전위 슬립(slip)에 의한 소성변형이 억제되면서 조기 파단 및 그립부 파단이 발생한 것 으로 생각된다.
두 철근의 미세조직적 인자를 보다 상세히 비교해보면 (Fig. 4), 페라이트 결정립 크기를 제외한 펄라이트 분율 및 층상 간격의 경우 모든 위치에서 대체로 A 철근이 B 철근보다 비교적 높은 값을 나타냈다. 일반적으로 탄소 함량이 증가할수록 페라이트 변태는 억제되지만, 상대적으로 펄라이트 변태를 촉진시키며, 바나듐은 석출 물의 형성을 통해 오스테나이트 결정립 크기를 미세화시킴으로써 페라이트 핵생성을 촉진시킨다고 알려져 있 다.
25 이상의 우수한 항복비를 가지지만, B 철근의 균일 및 총연신율이 각각 8 및 10 % 이상으로 A 철근보다 우수하였다. 따라서 B 철근이 강도 및 항복비와 함께 연신율도 고려해야 하는 600 MPa급 내진 철근에 더 적합한 것을 알 수 있었다.
또한 두 철근의 인장 특성을 비교해 보면(Table 2), A 및 B 철근 모두 600 MPa 이상의 높은 항복 강도를 나타내고, 인장 강도의 경우에는 A 철근이 1,000 MPa 이상으로 B 철근에 비해 높았다. 이로 인해 A 철근의 항복비가 B 철근보다 더 높았다.
먼저 위치별 미세조직적 인자의 변화를 살펴보면(Fig. 4), A 및 B 철근 모두 중심부에서 표면부로 갈수록 펄라이트 분율, 페라이트 결정립 크기 및 층상 간격이 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 펄라이트 분율 및 페라이트 결정립 크기의 경우 열간 압연 시 표면부가 중심부보다 상대적으로 많은 변형을 받아 미세해진 오스테나이트 결정립계가 페라이트 핵색성 장소로 작용되면서 페라이트 핵생성이 활발하게 일어났기 때문이다.
본 연구에서 pilot plant를 이용하여 제조된 A 및 B 철근 모두 600 MPa 이상의 우수한 항복 강도 및 1.25 이상의 우수한 항복비를 가지지만, B 철근의 균일 및 총연신율이 각각 8 및 10 % 이상으로 A 철근보다 우수하였다. 따라서 B 철근이 강도 및 항복비와 함께 연신율도 고려해야 하는 600 MPa급 내진 철근에 더 적합한 것을 알 수 있었다.
6에 나타냈고, 그 결과를 Table 2에 정리하였다. 본 연구에서 사용된 B 철근의 인장 특성은 대한민국 철근 표준규격의 항복 강도 600 MPa급 내진 철근에 관한 규격을 만족하였다. 먼저 각 철근들의 상온 인장 곡선을 살펴보면(Fig.
항복 강도는 탄소 함량이 높은 A 철근과 바나듐 함량이 높은 B 철근 모두 600 MPa 이상의 높은 항복 강도를 나타냈지만, 인장 강도는 A 철근이 높았다. 이는 높은 탄소 함량에 의한 높은 펄라이트 분율이 가공경화 를 증가시켰기 때문이며, 이에 따라 항복비도 A 철근이 더 높았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근 몇 년간 지진이 많이 발생하게 되는데 건축물의 안전성을 향상시킬 수 있는 방법은 무엇인가?	이에 따라 내진(seismic resistant) 설계 의무화에 대한 법규가 강화되고, 건축물의 구조재에 대한 규격도 개정되고 있다. 1-3) 특히 건축물의 구조재로 많이 사용되는 내진 철근의 경우 일반 철근 보다 항복 강도, 항복 강도 대비 인장 강도(tensile to yield ratio, 이하 항복비) 및 균일 연신율(uniform elonagion)이 높아 적은 양으로 더 큰 하중을 견딜 수 있을 뿐만 아니라 항복 이후 소성 변형 중에 보다 많은 외부 에너지를 흡수함으로써 건축물의 안전성을 향상시킬 수 있다.1-6)
	바나듐(V)이란 무엇인가?	6-8) 특히 합금원소 첨가에 의한 고용 및 석출 강화를 많이 활용하고 있는데, 탄소(C)의 경우 강도를 효과적으로 증가시키지만, 연성을 감소시켜 조기 파단의 원인을 제공할 수 있다. 바나듐(V)의 경우 석출 강화에 효과적인 합금 원소로 탄소 및 질소(N)와 결합하여 탄화물 및 질화물을 형성함으로써 강도와 내진 성능을 동시에 향상시킬 수 있다. 그러나 과도한 합금원소 첨가는 자재 단가 상승의 문제점과 제조 시 용접 결함 발생을 유발하기 때문에 탄소 당량(carbon equivalent, Ceq)으로 합금원소 함량을 일정 수치 이하로 제한하고 있다.
	바나듐(V)의 과도한 합금원소 첨가의 문제점은 무엇인가?	바나듐(V)의 경우 석출 강화에 효과적인 합금 원소로 탄소 및 질소(N)와 결합하여 탄화물 및 질화물을 형성함으로써 강도와 내진 성능을 동시에 향상시킬 수 있다. 그러나 과도한 합금원소 첨가는 자재 단가 상승의 문제점과 제조 시 용접 결함 발생을 유발하기 때문에 탄소 당량(carbon equivalent, Ceq)으로 합금원소 함량을 일정 수치 이하로 제한하고 있다.1)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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