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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 기존에 본 연구실에서 진행해 왔던 저합금강의 용접 열영향부의 재직 예측에 대한 연구를 종합하여 소개하고자 한다.
- 그러나 아직까지 이러한 용접 열영향부의 미세조직 및 기계적 특성을 예측할 수 있는 모델에 대한 연구는 미비한 실정이다. 이러한 이유로 본 연구에서는 저합금강 용접 열영향부의 미세조직 및 재질을 예측할 수 있는 모델에 대해 연구, 작성하였다.
가설 설정
- 한편, Zener는 석출물이 존재할 때, 결정립 성장 속도는 결정립 성장애 대한 구동력과 석출물에 의한 pining force의 차이에 의한 값에 비례한다는 가정으로부터 식 21과 같은 결정립 성장 속도식을 제안하였다.17)
제안 방법
- 용접 열영향부의 경도 예측을 위해서는 기존 연구에서 주로 사용되었던 혼합법칙을 이용하였다. 그러나 본 연구에서는 더욱 정확한 모델의 작성을 위해서 페라이트 결정립 크기의 영향을 경도 예측 모델에 포함하였다. 본 연구에 적용한 경도 예측 모델 식을 다음에 나타내었다.
- 32,33) 실험 결과 본 연구에 사용된 강재의 경우 Lorenz 모델에 의한 결과와 유사한 결과를 보였다. 그러나 실험결과가 Lorenz 모델의 결과와 달리 탄소 당량에 대해 2차함수 거동을 보였으며, 따라서 본 연구에서는 탄소 당량에 대해 2차함수로 표현하여 베이나이트 경도 모델을 작성하였다. 그 결과를 다음 식에 나타내었다.
- 34-36) 실험 결과 기존의 연구에 의해 예측된 값들과는 조금 다른 경향을 확인할 수 있었다. 따라서 마르텐사이트에 대해서 탄소 함량에 따라 그래프를 작성하여 마르텐사이트 경도 모델을 얻을 수 있었다. 이를 통해 얻어진 마르텐사이트 경도 모델을 다음 식에 나타내었다.
- 따라서 본 연구에서는 기존에 발표된 베이나이트 모델26,27) 및 베이나이트, 마르텐사이트 변태 시작 온도 예측 모델28-31) 중 가장 신뢰성이 높은 모델을 실험을 통하여 선정하였으며, 이를 통해 최종 상 분율을 예측하였다. 신뢰성 확인을 위한 실험은 본 연구에 사용된 6개 강종 중 가장 합금 원소의 함량이 많은 0.
- 여기서 D는 결정립의 평균 결정립 크기를 나타낸다. 또한 Zener는 이와 같이 석출물이 존재할 때, 성장할 수 있는 임계 결정립 크기를 제안하고, 다음과 같이 표현하였다. 이는 Zener equation으로 알려져 있다.
- 본 연구에서는 Ac3 직상에서의 오스테나이트 결정립 크기를 예측할 수 있는 모델을 작성하기 위해 냉각 중 페라이트 결정립 크기를 구하기 위해 Suehiro가 제안한 모델을 변형하여 적용하였으며, 그 식을 다음에 나타내었다.9)
- 는 t=0sec에서의 결정립 크기, D는 등온 유지 시간 후의 결정립 크기, K와 n은 각각 속도상수와 시간지수를 나타낸다. 본 연구에서는 식 10을 이용하여 초기 결정립 크기를 고려한 방법으로 결정립 성장 모델을 작성하였다.
- 본 연구에서는 연속 냉각 중의 페라이트 변태 시작온도 Ar3의 예측을 위해 합금성분, 초기 오스테나이트 결정립 크기 및 냉각속도의 영향을 고려할 수 있는 IRSID 모델을 적용하였다.25) IRSID 모델은 각각의 냉각속도에서 변태시작점 Ar3은 1℃/sec의 냉각속도에서의 변태 시작점, Ar30와 냉각속도, Cr과 양의 상수인 a로 표현되며, 다음과 같이 나타낼 수 있다.
- 실 용접시험 후 용접 열영향부에서 오스테나이트 결정립 크기, 석출물 크기, 상분율, 경도 등을 측정하였으며, 다음에 그 결과들을 그림으로 나타내었다.
- 앞서의 결정립 성장 모델들과 Zener coefficient를 이용하여 다음 식 25와 같이 TiN 석출물을 포함하는 강재에 대한 등온 결정립 성장 모델을 작성하였다.
- 앞에서 나타낸 변수들을 실험적으로 구하기 위해 페라이트 결정립 크기를 달리한 시편을 각각 다른 가열속도로 가열하여 오스테나이트 결정립 크기와 변태 온도의 관계를 얻었으며, 이 결과를 선형 분석하여 식을 완성하였다. 완성된 식을 다음에 나타내었다.
- 위의 등온 결정립 성장 속도식에 가산법칙을 적용하여 연속 열사이클 중의 결정립 성장 거동을 예측할 수 있으며, 본 연구에서는 위와 같은 방법으로 NbC 및 (Ti,Nb)(C,N) 석출물을 포함하는 강재에 대해서도 예측하였다.
- 이때 AGS는 90μm로 적용하였으며 각각의 용접 입 열량에 따른 냉각 속도를 고려하여 Lee's model에 의해 계산된 Bs온도까지 예측하였다.
- 이를 위해 석출물이 존재하지 않는 강에서의 오스테나이트 결정립 성장 거동에 대한 연구, 오스테나이트 결정립 성장에 영향을 미치는 석출물 거동에 대한 연구 및 냉각 중에 발생하는 상변태 거동 및 경도 예측에 대한 연구를 수행하였으며, 이를 통해 최종 미세조직 및 경도를 예측할 수 있는 모델을 작성하였다.
- 페라이트 경도 예측을 위해서 페라이트 변태 거동 예측에 사용되었던 6종의 강재를 이용하여 연속 냉각 시험을 수행하였다. 이를 통해 얻은 데이터를 앞에서 언급하였던 Suehiro의 연구에서 보고된 수식에 적용하여 페라이트 결정립 크기를 예측하였다. 이 때 사용된 수식을 다음에 나타내었다.
- 지금까지 진행된 연구 모델의 신뢰성을 확인하기 위해 EH36 강 (0.07C-0.3Si-1.5Mn-0.1Ti-0.02 Nb)을 이용하여 실 용접시험을 실시하고 용접 열영향부의 미세조직 및 경도 분포를 측정하였다. 사용된 강재의 성분은 다음 표와 같으며, 용접 공정은 SAW, 용접 입열량은 200kJ/cm를 적용하였다.
- 페라이트 경도 예측을 위해서 페라이트 변태 거동 예측에 사용되었던 6종의 강재를 이용하여 연속 냉각 시험을 수행하였다. 이를 통해 얻은 데이터를 앞에서 언급하였던 Suehiro의 연구에서 보고된 수식에 적용하여 페라이트 결정립 크기를 예측하였다.
대상 데이터
- 계산을 통하여 얻었으며, 석출물의 크기 r은 앞서의 석출물 조대화 모델을 통해, 결정립 크기 D는 등온 결정립 성장 실험 결과를 통해 얻었다. 또한 n, K는 각각 등온 결정립 성장에 대한 kinetic parameter로 오스테나이트 결정립 성장 모델 작성 시의 데이터를 이용하였다.
- 중 가장 신뢰성이 높은 모델을 실험을 통하여 선정하였으며, 이를 통해 최종 상 분율을 예측하였다. 신뢰성 확인을 위한 실험은 본 연구에 사용된 6개 강종 중 가장 합금 원소의 함량이 많은 0.151C-0.139Si-1.61Mn 강을 사용하였다. 그 결과 기곤 연구 모델 중 Esaka 모델과 가장 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었으며, 따라서 본 연구에서는 베이나이트 변태의 경우 Esaka 모델을 이용하여 예측하였다.
데이터처리
- 이를 위해 11개 강종에 대해 등온 결정립 실험을 수행하였으며, 그 결과를 바탕으로 K와 n값을 구하였다.
이론/모형
- 61Mn 강을 사용하였다. 그 결과 기곤 연구 모델 중 Esaka 모델과 가장 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었으며, 따라서 본 연구에서는 베이나이트 변태의 경우 Esaka 모델을 이용하여 예측하였다. 또한 베이나이트 및 마르텐사이트 변태 시작온도의 경우 K.
- 따라서 본 연구에서는 정확한 Ac3 온도의 예측을 위해 Avrami 식을 적용하였으며,3,4) 이때 Avrami 식의 각 상수는 가산법칙 개념을 적용한 연속가열 데이터를 이용하여 구하였다.
- 용접 열영향부에서 연속 냉각에 따른 결정립 성장은 앞서 구한 등온 오스테나이트 결정립 성장에 대한 모델식과 가산법칙을 사용함으로써 예측할 수 있다. 이때 용접 열영향부에 대한 온도 해석은 간단한 Easterling의 방정식을 이용하였으며, 식 12에 나타내었다.
- 용접 열영향부의 경도 예측을 위해서는 기존 연구에서 주로 사용되었던 혼합법칙을 이용하였다. 그러나 본 연구에서는 더욱 정확한 모델의 작성을 위해서 페라이트 결정립 크기의 영향을 경도 예측 모델에 포함하였다.
- 따라서 각 상의 경도 예측에 대해 살펴보았다. 우선 페라이트의 경우 결정립 크기 예측을 위해 열처리하였던 시편의 페라이트 결정립 크기를 측정하고 다음으로 경도를 측정하여 그 값들을 통해 페라이트에 대한 Hall-Petch 식을 작성하였으며, 그 결과를 다음 그림에 나타내었다.
- 위와 같이 얻어진 페라이트, 베이나이트 및 마르텐사이트 경도 모델에 혼합법칙을 적용하여 경도 예측 모델이 작성되었다.
- 용접 열영향부에서 연속 냉각에 따른 결정립 성장은 앞서 구한 등온 오스테나이트 결정립 성장에 대한 모델식과 가산법칙을 사용함으로써 예측할 수 있다. 이때 용접 열영향부에 대한 온도 해석은 간단한 Easterling의 방정식을 이용하였으며, 식 12에 나타내었다.11)
- 이렇게 얻어진 등온변태 데이터와 Ar3온도로부터 연속 냉각 중의 페라이트변태 거동을 예측하기 위해 가산법칙을 적용하여 계산하였다. 그 중 0.
- 이렇게 작성된 Hall-Petch 식과 앞서 작성하였던 페라이트 결정립 크기 예측 모델을 이용하여 최종 페라이트의 경도값을 예측하였다.
성능/효과
- 마지막으로 그림 8에 경도 예측 결과에 대한 신뢰성을 보이고 있다. 그림에서 확인할 수 있듯이 최고온도가 증가할수록 저온상의 발달로 인한 경도값의 증가를 볼 수 있으며, 계산 결과와 실험 결과가 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다.
- 24에 근접함을 확인할 수 있었다. 또한 속도상수 K값은 앞서 구한 시간지수값을 이용하여 구할 수 있는데, 동일 합금에서 온도가 증가함에 따라 K값이 증가함을 알 수 있었으며, 또한 합금 함량이 증가함에 따라 감소함을 확인할 수 있었다. 이를 바탕으로 온도와 합금함량에 따른 함수로 K값을 나타낼 수 있다.
- 본 연구를 통해 얻어진 반응상수 n은 0.851, 초기 오스테나이트 결정립 크기 인자 m은 -1.21로 기존의 연구 결과와 유사한 값을 가지는 것을 확인할 수 있었다.22-24) 또한 K값은 표 5-1에 나타내었다.
- 본 연구에서는 위의 모델을 이용하여 용접 열영향부에서의 TiN, NbC 및 (Ti,Nb)(C,N) 석출물에 대한 크기를 예측하였으며, 실험 결과와 잘 일치함을 확인할 수 있었다.
- 다음 그림 6은 오스테나이트 결정립 성장 모델에 대한 신뢰성 평가를 보여주고 있다. 오스테나이트 결정립 성장 거동의 계산을 위해서는 위에서 계산한 석출물 크기를 이용하였으며, 계산 결과가 실험 결과가 잘 일치하는 것을 알 수 있다.
- 우선 석출물 성장 거동을 살펴보면 다음 그림에서 볼 수 있듯이, 예측 결과와 실험 결과가 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다.
- 이렇게 분석된 시간지수의 값은 약간의 편차가 존재하지만, 온도 및 합금성분에 상관없이 평균적으로 0.24에 근접함을 확인할 수 있었다. 또한 속도상수 K값은 앞서 구한 시간지수값을 이용하여 구할 수 있는데, 동일 합금에서 온도가 증가함에 따라 K값이 증가함을 알 수 있었으며, 또한 합금 함량이 증가함에 따라 감소함을 확인할 수 있었다.
- 최종 상 분율의 예측은 우선 페라이트 변태가 베이나이트 변태 시작 온도까지 일어나는 것으로 판단하였으며, 베이나이트 변태 시작온도 이후 베이나이트 변태가 진행되며, 마르텐사이트 변태 시작온도에 도달하였을 때, 잔류하는 미변태 분율이 있다면 이는 전부 마르텐사이트로 변태하는 것으로 보았다.
후속연구
- 또한 용접 열사이클 후, 용접 열영향부의 미세 조직을 예측하고, 그에 따른 기계적 성질의 예측이 가능하다면, 적정 용접 조건의 선정과 용접부 결함을 미리 예측함으로써, 용접공정 중의 생산성 및 구조물의 안정성 확보에 도움을 주리라 생각된다. 이러한 측면에서도, 용접부의 미세조직을 예측하고자 하는 많은 연구들이 수행되어 왔다.
- 작성된 모델은 실 용접부와의 비교를 통해 신뢰성을 확인하였으며, 본 연구를 통해 작성된 모델을 통하여 용접 열영향부에서의 용접부 품질을 확인하기 위한 시간적, 경제적 비용을 절감할 수 있을 것으로 기대된다.
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