해양플랜트용 500 MPa급 후판강의 모재 및 HAZ의 미세조직과 기계적 특성의 상관관계 Correlation between Microstructure and Mechanical Properties of Base Metal and HAZ of 500 MPa Steel Plates for Offshore Platforms원문보기
In this study, two types of thick steel plates are prepared by controlling carbon equivalent and nickel content, and their microstructures are analyzed. Tensile tests, Vickers hardness tests, and Charpy impact tests are conducted to investigate the correlation between microstructure and mechanical p...
In this study, two types of thick steel plates are prepared by controlling carbon equivalent and nickel content, and their microstructures are analyzed. Tensile tests, Vickers hardness tests, and Charpy impact tests are conducted to investigate the correlation between microstructure and mechanical properties of the steels. The H steel, which has high carbon equivalent and nickel content, has lower volume fraction of granular bainite (GB) and smaller GB packet size than those of L steel, which has low carbon equivalent and nickel content. However, the volume fraction of secondary phases is higher in the H steel than in the L steel. As a result, the strength of the L steel is higher than that of the H steel, while the Charpy absorbed energy at -40 ℃ is higher than that of the L steel. The heat affected zone (HAZ) simulated H-H specimen has higher volume fraction of acicular ferrite (AF) and lower volume fraction of GB than the HAZ simulated L-H specimen. In addition, the grain size of AF and the packet sizes of GB and BF are smaller in the H-H specimen than in the L-H specimen. For this reason, the Charpy absorbed energy at -20 ℃ is higher for the H-H specimen than for the L-H specimen.
In this study, two types of thick steel plates are prepared by controlling carbon equivalent and nickel content, and their microstructures are analyzed. Tensile tests, Vickers hardness tests, and Charpy impact tests are conducted to investigate the correlation between microstructure and mechanical properties of the steels. The H steel, which has high carbon equivalent and nickel content, has lower volume fraction of granular bainite (GB) and smaller GB packet size than those of L steel, which has low carbon equivalent and nickel content. However, the volume fraction of secondary phases is higher in the H steel than in the L steel. As a result, the strength of the L steel is higher than that of the H steel, while the Charpy absorbed energy at -40 ℃ is higher than that of the L steel. The heat affected zone (HAZ) simulated H-H specimen has higher volume fraction of acicular ferrite (AF) and lower volume fraction of GB than the HAZ simulated L-H specimen. In addition, the grain size of AF and the packet sizes of GB and BF are smaller in the H-H specimen than in the L-H specimen. For this reason, the Charpy absorbed energy at -20 ℃ is higher for the H-H specimen than for the L-H specimen.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 탄소 당량과 니켈의 함량을 제어하여 2종류의 80 mm 두께를 갖는 해양플랜트용 후판 강을 제조하고 이들의 미세조직을 분석하였다. 그리고 상온에서 인장 시험과 비커스 경도 시험을 실시하고, -40˚C에서 샤르피 충격 시험을 실시하여 모재의 미세조직과 기계적 특성의 상관관계를 규명하였다.
따라서 본 연구에서는 탄소 당량과 니켈의 함량을 제어하여 2종류의 80 mm 두께를 갖는 해양플랜트용 후판 강을 제조하고 이들의 미세조직을 분석하였다. 그리고 상온에서 인장 시험과 비커스 경도 시험을 실시하고, -40˚C에서 샤르피 충격 시험을 실시하여 모재의 미세조직과 기계적 특성의 상관관계를 규명하였다.
가설 설정
해양플랜트용 강재는 항복강도를 기준으로 등급이 나뉜다.20) 본 연구에서 사용된 강들은 항복 강도가 500 MPa 급 해양 플랜트용 후판강에 속한다. 항복 강도와 인장 강도는 L 강이 H 강보다 10 MPa 정도 높지만, 연신율은 같다.
제안 방법
본 연구에서 사용된 강의 화학 조성을 Table 1에 나타내었다. C과 같은 경화능 원소의 함량을 조절하여 탄소 당량을 달리하였고, Ni의 첨가량도 조절하여 2종류의 후판강을 제조하였다. 탄소 당량이 0.
HAZ를 모사하기 위해서 Fig. 1의 열 사이클을 적용하여 MTCS장비(Thermorestor-W, Fuji Electronic Industrial Co., Tokyo, Japan)로 CGHAZ(coarse-grain heat affected zone) 미세조직을 갖는 용접모사시편을 제조하였다. 이 용접 조건은 해양플랜트용 후판강의 용접에 주로 사용 되는 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW, flux cored arc welding) 조건을 모사한 것으로 계산된 입열량은 8 kJ/cm 이다.
또한 용접공정모사 시험을 통해 HAZ 시편을 제조하였고, 이들의 미세조직을 분석하였다. HAZ의 기계적 특성을 분석하기 위해서 비커스 경도 시험과 -20 ˚C에서의 샤르피 충격 시험을 실시하여 HAZ의 미세조직과 기계적 특성의 상관 관계를 조사하였다.
후판강의 기계적 특성을 평가하기 위하여 비커스 경도 시험, 인장 시험, 샤르피 충격 시험을 진행하였다. 경도 측정은 비커스 경도기를 사용하였고, 하중은 300 gf, 하중 유지 시간은 10 s로 설정하였다. 인장 시편은 강재의 두께 1/2의 위치에서 압연 방향에 수직한 방향(transverse direction)으로 채취하였으며, 지름 50 mm, 표점거리 200 mm의 봉상 시편으로 가공하였다.
따라서 본 연구에서는 탄소 당량과 니켈의 함량을 제어하여 2종류의 80 mm 두께를 갖는 해양플랜트용 후판 강을 제조하고 이들의 미세조직을 분석하였다. 그리고 상온에서 인장 시험과 비커스 경도 시험을 실시하고, -40˚C에서 샤르피 충격 시험을 실시하여 모재의 미세조직과 기계적 특성의 상관관계를 규명하였다. 또한 용접공정모사 시험을 통해 HAZ 시편을 제조하였고, 이들의 미세조직을 분석하였다.
본 연구에서는 탄소 당량과 니켈의 함량을 제어하여 2종류의 80 mm 두께를 갖는 해양플랜트용 후판강을 제조하고 이들의 미세조직을 분석하였다. 그리고 인장 시험, 비커스 경도 시험, 샤르피 충격 시험을 실시하여 미세조직과 기계적 특성의 상관관계를 조사하여 다음의 결론을 얻었다
그리고 상온에서 인장 시험과 비커스 경도 시험을 실시하고, -40˚C에서 샤르피 충격 시험을 실시하여 모재의 미세조직과 기계적 특성의 상관관계를 규명하였다. 또한 용접공정모사 시험을 통해 HAZ 시편을 제조하였고, 이들의 미세조직을 분석하였다. HAZ의 기계적 특성을 분석하기 위해서 비커스 경도 시험과 -20 ˚C에서의 샤르피 충격 시험을 실시하여 HAZ의 미세조직과 기계적 특성의 상관 관계를 조사하였다.
베이나이트계 조직은 형태학적 특징으로 구분하였다. 모든 강은 침상형 페라이트(acicular ferrite, AF)와 입상형 베이나이트(granular bainite, GB)가 주 조직을 이루고 있으며 GB의 내부나 AF 결정립들 사이에 이차상이 관찰되었다.
샤르피 충격 시 험에 사용된 시편도 강재의 두께 1/2의 위치에서 10 × 10 × 55 mm 크기로 채취하였으며, 시편과 V-노치의 방향은 각각 압연 방향에 수직한 방향(transverse direction)과 압연 방향에 평행한 방향(longitudinal direction)이다.
432 %로 높은 강재를 ‘H’로 명명 하였다. 슬라브(slab)는 1100 ~ 1150 ˚C에서 오스테나이트화 열처리를 2시간 동안 진행한 후, 압연 공정을 거쳐 150 mm의 슬라브를 80 mm의 후판강으로 만들었다. 마무리 압연 온도는 800 ~ 850 ˚C이며, 압연 후 냉각 시작 온도를 750 ~ 770 ˚C로 조절하였다.
모든 시편의 압연롤이 닿는 면(longitudinal-transvers plane)을 2,000 grit의 사포로 연마 후, 1 µm 다이아몬드 서스펜션으로 미세 연마하였다. 이후 2 % 나이탈 용액(에탄올+질산)으로 에칭 한 후 미세조직 분석은 광학 및 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)을 통해서 진행하였다.
인장 시험은 만능시험기를 사용하여 10−3 /s의 변형 속도로 상온에서 ASTM E8/8M에 따라 인장 시험을 실시하였다.
후판강의 기계적 특성을 평가하기 위하여 비커스 경도 시험, 인장 시험, 샤르피 충격 시험을 진행하였다. 경도 측정은 비커스 경도기를 사용하였고, 하중은 300 gf, 하중 유지 시간은 10 s로 설정하였다.
대상 데이터
HAZ 모사 시편의 미세조직은 AF, GB, 베이나이트계 페라이트(bainitic ferrite, BF), 마르텐사이트(martensite, M)로 구성되어 있다. M는 가장 빠른 냉각속도에서 형성되며, 구 오스테나이트에서 특정한 방향으로 생성된다.
샤르피 충격 시 험에 사용된 시편도 강재의 두께 1/2의 위치에서 10 × 10 × 55 mm 크기로 채취하였으며, 시편과 V-노치의 방향은 각각 압연 방향에 수직한 방향(transverse direction)과 압연 방향에 평행한 방향(longitudinal direction)이다. 모재는 -40 ˚C에서, HAZ 모사 시편은 -20 ˚C에서 각각 ASTM E23에 따라 샤르피 충격 시험을 실시하였다. 선급 규정에 따르면, HAZ의 샤르피 흡수 에너지로 해양 플랜트용 후판강의 등급이 구분된다.
미세조직 분석을 위하여 후판강의 두께 1/2 지점에서 미세조직 관찰용 시편을 채취하였다. 모든 시편의 압연롤이 닿는 면(longitudinal-transvers plane)을 2,000 grit의 사포로 연마 후, 1 µm 다이아몬드 서스펜션으로 미세 연마하였다.
경도 측정은 비커스 경도기를 사용하였고, 하중은 300 gf, 하중 유지 시간은 10 s로 설정하였다. 인장 시편은 강재의 두께 1/2의 위치에서 압연 방향에 수직한 방향(transverse direction)으로 채취하였으며, 지름 50 mm, 표점거리 200 mm의 봉상 시편으로 가공하였다. 인장 시험은 만능시험기를 사용하여 10−3 /s의 변형 속도로 상온에서 ASTM E8/8M에 따라 인장 시험을 실시하였다.
성능/효과
(1) 탄소 당량과 니켈의 함량이 높은 H 강은 L 강에 비해 GB 분율이 낮으며, GB 패킷 크기도 작았다. 하지만, 이차상 분율은 H 강이 L 강에 비해 높았다.
(2) HAZ 모사 시험한 H-H 시편은 L-H 시편에 비해 AF 분율이 높고, GB 분율은 낮았다.
(3) 파괴 개시의 관점에서 L-H 시편은 딤플이 관찰되는 구간의 길이가 H-H 시편에 비해 짧다. 파괴 전파의 관점에서 H-H 시편에서는 벽개 파면, 딤플, 준벽개 파면이 함께 관찰되고, 딤플이 형성된 연성 파면도 L-H 시편에 비해 더 넓다.
이러한 미세조직들의 분율 차이와 결정립의 크기 차이로 모재는 HAZ에 비해 비커스 경도가 낮았고, 시편들의 편차는 크지 않다. H 강이 L강에 비해 샤르피 흡수에너지가 높으며, HAZ에서도 H-H 시편이 L-H 시편에 비 해 샤르피 흡수에너지가 높았다.
모재에서는 AF 와 GB만 형성되었으나, HAZ에서는 BF가 함께 형성되었고, 이는 용접 모사 공정 시 빠른 냉각으로 오스테나 이트에서 BF가 변태되기 유리하였기 때문이다. L 강에 비해서는 H강에서 AF 분율이 높았고, HAZ 시편에서도 H-H 시편에서 L-H 시편에 비해 AF 분율이 높았다. 이러한 미세조직들의 분율 차이와 결정립의 크기 차이로 모재는 HAZ에 비해 비커스 경도가 낮았고, 시편들의 편차는 크지 않다.
베이나이트계 조직은 형태학적 특징으로 구분하였다. 모든 강은 침상형 페라이트(acicular ferrite, AF)와 입상형 베이나이트(granular bainite, GB)가 주 조직을 이루고 있으며 GB의 내부나 AF 결정립들 사이에 이차상이 관찰되었다. 이차상은 탄화물, 질화물, MA(martensite-austenite constituents), 잔류 오스테나이트 등의 경질상이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
최근 합금 원소의 첨가를 최소한으로 조절하는 이유는 무엇인가?
14-16) 이렇게 합금 원소를 첨가하여 화학 조성을 변화시키면 다양한 베이나이트계 조직의 조합을 얻어낼 수 있다. 하지만 고강도 및 고인성을 위해서 다량의 합금 원소를 첨가 할 경우 생산비가 증가하고 용접성이 나빠지는 문제가 있다. 따라서 최근에는 합금 원소의 첨가를 최소한으로 조절한 채, 베이나이트와 같은 저온변태조직을 미세하게 형성시킴으로써 우수한 강도와 인성의 조합을 얻고자 하는 연구가 이루어지고 있다.
입상형 베이나이트(granular bainite, GB)는 어떤 조직인가?
AF는 결정립의 크기가 수 µm 정도이고, 결정립계에 미세한 크기의 경질상이 분포하여, 강도와 인성이 우수한 조직이다. GB는 고경각 결정립계로 결정립을 구분하는 패킷 (packet)이 크고 패킷 내부에 미세한 이차상이 혼재되어 있는 조직이다.18,19)
다량의 합금 원소 첨가할 때의 문제점은 무엇인가?
14-16) 이렇게 합금 원소를 첨가하여 화학 조성을 변화시키면 다양한 베이나이트계 조직의 조합을 얻어낼 수 있다. 하지만 고강도 및 고인성을 위해서 다량의 합금 원소를 첨가 할 경우 생산비가 증가하고 용접성이 나빠지는 문제가 있다. 따라서 최근에는 합금 원소의 첨가를 최소한으로 조절한 채, 베이나이트와 같은 저온변태조직을 미세하게 형성시킴으로써 우수한 강도와 인성의 조합을 얻고자 하는 연구가 이루어지고 있다.
참고문헌 (22)
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