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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.25 No.8 pp.417-422
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2015.25.8.417

Effect of Pearlite Interlamellar Spacing on Impact Toughness and Ductile-Brittle Transition Temperature of Hypoeutectoid Steels

Sang-In Lee, Jun-Young Kang, Byoungchul Hwang†
Department of Materials Science and Engineering Seoul National University of Science and Technology, Seoul 139-743, Korea
Corresponding author bhwang@seoultech.ac.kr (B. Hwang, Seoul Nat’l Univ. Sci.& Technol.)
July 17, 2015 July 29, 2015 July 29, 2015

Abstract

In this study, low-carbon hypoeutectoid steels with different ferrite-pearlite microstructures were fabricated by varying transformation temperature. The microstructural factors such as pearlite fraction and interlamellar spacing, and cementite thickness were quantitatively measured and then Charpy impact tests conducted on the specimens in order to investigate the correlation of the microstructural factors with impact toughness and ductile-brittle transition temperature. The microstructural analysis results showed that the pearlite interlamellar spacing and cementite thickness decreases while the pearlite fraction increases as the transformation temperature decreases. Although the specimens with higher pearlite fractions have low absorbed energy, on the other hand, the absorbed energy is higher in room temperature than in low temperature. The upper-shelf energy slightly increases with decreasing the pearlite interlamellar spacing. However, the ductile-brittle transition temperature is hardly affected by the pearlite interlamellar spacing because there is an optimum interlamellar spacing dependent on lamellar ferrite and cementite thickness and because the increase in pearlite fraction and the decrease in interlamellar spacing with decreasing transformation temperature have a contradictory role on absorbed energy.


아공석강의 충격인성 및 연성-취성 천이온도에 미치는 펄라이트 층상간격의 영향

이 상인, 강 준영, 황 병철†
서울과학기술대학교 신소재공학과

초록


    Ministry of Education, Science and Technology
    NRF-2014R1A1A1006179

    1.서 론

    냉간압조용(CHQ, cold heading quality) 비조질강은 가 공 측면에서는 저온 어닐링, 구상화 등의 연화 열처리 없이 가공이 가능하고, 재질 측면에서는 Q-T(quenchingtempering) 열처리 없이 최종제품의 요구재질을 만족하 도록 개발된 강재이다. 따라서 이들 강재의 사용은 부 품의 열처리 비용 절감, 공정 간략화에 따른 납기단축, 생산성 향상 등의 측면에서 매우 경제적이다. 개발 초 기 비조질강은 대체적으로 인성이 크게 요구되지 않은 일반 기계부품에 한정되어 사용되었지만, 최근 자동차 회 전부품, 산업기계 분야 등으로 그 적용 범위가 점차 확 대되면서 비조질강의 인성 향상에 대한 요구가 크게 높 아지고 있다.

    실제로 아공석(hypoeutectoid) 범위에 있는 비조질강의 인성을 높이기 위해서는 미세조직적 인자(결정립 크기, 부 피분율, 층상간격 등)의 변화에 따른 충격 거동을 이해 하는 것이 필수적이다. 특히 페라이트-펄라이트(ferritepearlite) 의 미세구조를 갖는 아공석강에서 펄라이트의 층 상간격(interlamellar spacing) 및 시멘타이트 두께(cementite thickness)는 인성에 큰 영향을 미치는 인자이므로 이들 미세조직의 변화에 따른 충격인성 및 연성-취성 천이온 도(DBTT, ductile-brittle transition temperature)의 이해 가 매우 중요하다. Bae 및 Kavishe 등의 일부 연구자들 은 아공석 조성 범위에 있는 탄소강의 미세조직을 변화 시켜 강도와 연성에 미치는 미세조직의 영향을 분석한 바 있다.1,2) 이와 같이 아공석 범위의 비조질강에 대한 대부분의 연구는 인장특성에 대한 분석이 주로 이루어 지고 있으며, 충격 거동에 미치는 영향에 대한 연구는 거의 없거나 다양한 미세조직적 인자와의 상관관계가 아 직 불명확한 실정이다.

    따라서 본 연구에서는 아공석 범위의 탄소강에 대하여 변태온도를 변화시켜 다양한 크기의 층상간격을 갖는 시 편을 제조한 후 미세조직을 정량적으로 분석하고, 시험 온도에 따른 충격시험을 실시하여 충격인성 및 연성-취 성 천이온도에 미치는 펄라이트 층상간격의 영향을 체 계적으로 분석하였다.

    2.실험 방법

    본 연구에서 사용된 합금은 Fe-0.45C-1.20Mn-0.20Si- 0.03Al-0.01Ti-0.05V(wt. %)의 화학조성을 갖는 저탄소강 이다. 이들 합금은 50 kg 단위로 진공용해한 후 1,200 °C 에서 오스테나이트화 처리하고 900 °C 이상에서 15 mm 로 열간압연한 판재이다. 위의 합금을 열역학 계산으로 부터 얻어진 평형 상태도에 근거하여 950 °C 에서 30분 간 오스테나이트화 처리 후 550 °C, 600 °C, 650 °C 에서 등온변태(isothermal transformation)를 실시하여 층상간격 이 다른 세종류의 시편을 제조하였다. 제조된 시편의 미 세조직은 압연 판재의 옆면을 연마하고 3 % 나이탈 용 액으로 에칭한 후 광학현미경 및 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope)으로 관찰하였다. 또한 미 세조직 내에 형성된 페라이트와 펄라이트의 분율을 측 정하기 위해 영상분석기를 이용하였다. 시멘타이트 두께 는 펄라이트 분율과 층상간격을 측정한 후 아래 식에 대 입하여 계산하였다.3)

    t c = S 0 0.15 wt .% C V p

    여기서 tc는 시멘타이트 두께, S0는 펄라이트 층상간 격, Vpp는 측정된 펄라이트 분율, (wt.%C)는 시편의 탄 소 함량을 의미한다.

    충격시험은 ASTM E23 표준시험법에 따라 L-T(longitudinal- transverse) 방향으로 10 × 10 × 55 mm의 샤피 충 격시편으로 가공한 후 300 J 용량의 충격시험기를 이용 하여 –100 °C ~ +200 °C 의 온도 범위에서 실시하였다. 저온인성을 평가하기 위한 연성-취성 천이온도(DBTT)는 hyperbolic tangent fitting을 통해 상부 흡수에너지와 하 부 흡수에너지의 평균에 해당되는 에너지를 가지는 온 도로 결정하였다. 충격시험 후 –100 °C, +50 °C, +200 °C 에서 파괴된 시편의 파면을 주사전자현미경으로 관찰하 였다.

    3.실험 결과

    본 연구에서 제조된 시편들의 광학현미경 및 SEM 미 세조직 사진을 Fig. 1 에 나타내었다. 950 °C 에서 오스 테나이트화 처리 후 550 °C, 600 °C, 650 °C 에서 등온변 태를 실시한 시편들의 미세조직은 모두 초석 페라이트 -펄라이트 조직이며, 압연 방향에 따라 다소 연신된 층 상구조를 나타내었다. Fig. 1(a)-(c) 는 변태온도에 따른 펄라이트의 분율 변화를 뚜렷하게 알 수 있는데, 변태 온도가 낮아질수록 펄라이트 분율은 증가하지만, 초석 페 라이트의 결정립 및 펄라이트 콜로니 크기는 큰 차이가 없었다. 또한 변태온도에 따른 펄라이트의 층상간격 변 화를 관찰한 SEM 미세조직 사진(Fig. 1(d)-(f))을 보면, 변태온도가 낮아질수록 펄라이트의 층상간격이 작아지는 것을 알 수 있다. 그리고 펄라이트 내에 일부 시멘타이 트들은 변태온도에 관계없이 분절된 형태로 존재하였다. 이러한 미세조직적 인자의 변화를 정량적으로 확인하기 위해 변태온도에 따른 각 미세조직 변화를 Table 1에 나 타내었다. 변태온도에 따른 펄라이트의 층상간격 및 시 멘타이트 두께의 변화를 살펴보면, 펄라이트의 층상간격 과 시멘타이트 두께 모두 변태온도가 낮아짐에 따라 감 소하는 경향을 나타내며, 그 범위는 각각 0.176 ~ 0.211 μm, 0.0126 ~ 0.0180 μm 사이에서 변한다. 변태온도에 따 른 펄라이트 분율의 변화를 살펴보면, 변태온도가 낮을 수록 펄라이트의 분율이 대체로 증가하는 경향을 보였다.

    본 연구에서 제조된 시편들에 대하여 상온과 저온(–20 °C)에서 측정한 미세조직에 따른 충격에너지 값을 Fig. 2에 나타내었다. 본 연구에서 제조된 시편들의 경우 펄 라이트 분율이 80 % 이상 존재하여 상온에서의 흡수에 너지가 저온보다 약간 높지만 상온 및 저온 모두 25 J 이하의 낮은 충격 흡수에너지를 나타내었다. 펄라이트 층 상간격과 시멘타이트 두께의 변화에 따른 상온 및 저온 충격에너지를 살펴보면(Fig. 2(a), (b)), 상온에서는 펄라 이트 층상간격과 시멘타이트 두께가 감소함에 따라 약 간의 충격에너지 변화를 보이지만 변화된 정도가 작을 뿐 아니라 일관된 양상을 나타내지 않았다. 저온에서는 펄라이트 층상간격과 시멘타이트 두께의 변화에 관계없 이 거의 일정한 충격에너지 값을 나타내었다. 펄라이트 분율 변화에 따른 상온 및 저온 충격에너지 역시 위의 경우와 동일한 결과를 나타내었다(Fig. 2(c)).

    한편 연성-취성 천이온도에 미치는 층상간격의 영향을 추가적으로 이해하기 위해 시험온도에 따른 충격에너지 값을 Fig. 3에 나타내었다. 펄라이트의 층상간격과 관계 없이 시험온도에 따른 충격에너지 결과 모두 연성-취성 천이거동을 나타내었고, 층상간격의 감소가 상부 흡수에 너지를 약간 향상시키지만 연성-취성 천이온도에는 거의 영향을 미치지 않았다.

    다양한 온도에서 충격시험으로 파괴된 시편들의 파면 을 SEM으로 관찰하여 Fig. 4에 나타내었다. 본 연구에 서는 펄라이트 층상간격의 영향을 확인하기 위해 550 °C 와 650 °C에서 열처리된 시편의 파면을 관찰하였다. 200 °C에서 파괴된 모든 시편들은 미소공동의 형성과 합체 에 의해 작고 큰 딤플들(dimples)이 복합적으로 형성된 연성파괴를 나타내었다. 연성-취성 천이영역인 50 °C 에 서 파괴된 시편의 파면을 보면(Fig. 4(b), (e)), 연성파괴 에 의한 딤플들과 함께 취성파괴에 의한 벽개(cleavage) 면들이 모두 관찰되며, 변태온도의 영향은 거의 나타나 지 않았다. 또한 합금들의 취성파괴 양상을 조사하기 위 하여 –100 °C에서 파괴된 시편들의 파면을 조사한 결과 일반적인 벽개면에서 전형적으로 나타나는 river pattern 이 뚜렷하게 관찰되었다.

    4.고 찰

    본 연구에서 세종류의 다른 변태온도에서 열처리된 시 편들은 Fig. 1 및 Table 1에서 보듯이 초석 페라이트-펄 라이트의 미세구조를 가지며, 변태온도가 낮아짐에 따라 펄라이트의 층상간격과 시멘타이트 두께는 감소하고, 펄 라이트 분율은 증가하였다. 일반적으로 펄라이트 층상간 격은 합금원소, 냉각속도, 변태온도, 과냉도 등의 영향 을 받으며, 오스테나이트 결정입도에는 크게 의존하지 않 는다.4,5)

    O’Donnelly 등은 냉각속도를 변화시켜 아공석강의 펄 라이트 층상간격을 조절한 결과 냉각속도가 빠를수록 펄 라이트의 층상간격이 작아져 경도 및 강도를 향상시키 는 것으로 보고하였다.3) 또한 Bae 및 Nam 등은 변태 온도를 변화시켜 인장특성에 미치는 펄라이트 층상간격 의 영향을 분석하였다. 이들 결과에 따르면 변태온도가 낮아질수록 펄라이트의 층상간격은 감소하여 항복 및 인 장 강도를 향상시켰다.1,6) 본 연구 결과에서도 이전 연 구자들과 같이 변태온도가 낮아질수록 펄라이트의 층상 간격이 작아짐을 확인할 수 있었다(Fig. 1(d)-(f), Table 1).1-9) 이는 상변태의 속도론적 관점으로 볼 때, 공석온 도(A1) 아래로의 과냉도(ΔT)가 크면 핵생성 속도가 커지 므로 가능한 모든 자리에서 핵생성이 일어나며 이때 가 능한 최소층상간격(S*)은 과냉도의 역수에 비례한다. 그 리고 실제 관찰되는 층상간격(S0)이 S*에 비례한다고 가 정하면 다음과 같다.10)

    S 0 S Δ T 1

    즉, 변태온도가 낮아지면 과냉도가 커지므로 펄라이트 의 층상간격은 작아지는 결과를 나타낸다.

    한편 변태온도에 따라 펄라이트의 층상간격 및 시멘타 이트 두께가 변화될 때 펄라이트 분율 역시 변화된다(Fig. 1, Table 1). Fig. 5에서와 같이 등온변태온도가 낮아질 수록 과냉도가 충분히 커서 비공석 조성의 오스테나이 트가 직접 펄라이트로 변태되어 100 % 펄라이트 조직을 가질 수 있다.10-12) Gladman은 일정한 탄소 함량을 가진 강에서 펄라이트의 분율이 증가하면 펄라이트의 dilution 이 증가하고, 이는 인성을 증가시키는 역할을 한다고 보 고하였다.13) 일반적으로 공석 조성 이상의 탄소 함량에 서는 펄라이트 내의 층상 시멘타이트가 연속적으로 발 달한다. 그러나 열처리에 의해 펄라이트 분율이 평형상 태 보다 많아져 펄라이트 내의 탄소 함량이 적어지거나 비교적 저온에서 변태되면, 시멘타이트 형상이 불연속적 인 형태로 나타난다. 이러한 불연속적인 층상 구조의 미 세조직을 불완전 펄라이트(degenerated pearlite)라 하며, 일반적인 층상형 펄라이트와 상부 베이나이트 상의 중 간 단계에서 형성되는 변태조직으로 알려져 있다.14)

    일반적으로 페라이트-펄라이트 조직을 갖는 탄소강의 경 우 연성-취성 천이거동을 나타내며 탄소 함량이 증가할 수록 연성-취성 천이온도는 높아지고, 상부 흡수에너지는 낮아진다.15,16) 본 연구 결과를 보면(Fig. 2(a)-(c)), 비교 적 많은 탄소 함량에 의한 높은 펄라이트 분율로 인해 상온 및 저온에서의 충격에너지가 모두 낮은 값을 가지 며, 상온이 저온보다 상대적으로 높은 흡수에너지를 나 타낸다.

    한편 Fig. 3에 나타낸 것과 같이 층상간격이 다른 3 종류의 시편들은 모두 연성-취성 천이거동을 나타내며, 층 상간격이 감소됨에 따라 상부 흡수에너지는 다소 증가 하지만, 연성-취성 천이온도에 미치는 층상간격의 영향은 거의 없는 것으로 나타났다(Table 1). 또한 파면 관찰결 과에서도 층상간격과 관계없이 모든 온도에서 동일한 파 면 양상을 나타낸 것도 이러한 사실을 뒷받침한다(Fig. 4(a)-(f)). 이러한 결과는 몇 가지 이유로 설명될 수 있 다. 첫째, Gladman에 따르면 연성-취성 천이온도는 펄라 이트 내의 층상 페라이트가 커지면(층상간격 증가) 낮아 지나, 반대로 시멘타이트 두께가 증가하면 높아져 이 두 인자의 조합에 의하여 결정되는 것으로 보고되었다.13) 즉 동일 성분 계에서 펄라이트의 층상간격이 미세하면 시 멘타이트 두께도 함께 감소하므로 이 두 인자의 조합에 의하여 최적 층상간격(optimum interlamellar spacing)이 존재한다(Fig. 6(a)). 따라서 펄라이트 내의 탄소량을 감 소시키면 시멘타이트의 두께를 감소시킬 수 있어 충격 인성이 개선될 수 있다고 보고하였다. 또한 Bernstein도 특정한 펄라이트의 층상간격에서 충격인성이 최대로 나 타난다고 보고하였다(Fig. 6(b)).9) 따라서 본 연구에서 펄 라이트 층상간격에 따른 충격인성 및 연성-취성 천이온 도가 큰 차이를 나타내지 않은 것은 변화된 펄라이트의 층상간격 범위가 최적 층상간격 근처에 존재하기 때문 으로 생각된다. 둘째, 본 연구에서 펄라이트의 층상간격 을 감소시키기 위해 낮은 변태온도에서 등온변태를 시 킨 결과 변태온도가 낮아짐에 따라 펄라이트 층상간격 의 감소와 동시에 펄라이트의 분율이 증가되는 결과를 나타내었다. 이는 펄라이트의 층상간격이 미세해질 경우 충격인성 및 연성-취성 천이온도에 좋은 영향을 끼치지 만, 동시에 펄라이트의 분율 증가는 충격인성에 부정적 인 영향을 주기 때문이다.

    5.결 론

    본 연구에서는 저탄소를 갖는 아공석강에 대하여 변태 온도를 변화시켜 다른 층상간격을 갖는 시편을 제조하 고, 충격인성 및 연성-취성 천이온도에 미치는 펄라이트 층상간격의 영향을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었 다. 변태온도가 낮아짐에 따라 펄라이트 층상간격과 시 멘타이트 두께는 감소하지만, 펄라이트 분율은 증가하였 다. 충격 시험 결과 본 연구에서 제조된 시편들의 경우 높은 펄라이트 분율로 인해 상온 및 저온 충격에너지가 매우 낮으며, 상온이 저온보다 높은 충격에너지를 나타 내었다.

    한편 펄라이트의 층상간격이 감소됨에 따라 상부 흡수 에너지는 다소 증가하지만, 연성-취성 천이온도는 큰 변 화를 나타내지 않았다. 이는 변태온도의 변화에 따라 달 라진 층상간격이 최적 층상간격 영역 내에 존재하기 때 문이다. 또한 변태온도를 감소시켜 펄라이트의 층상간격 이 미세화될 때 펄라이트 분율이 동시에 증가되어 충격 인성에 영향을 주기 때문으로도 생각할 수 있다. 앞으 로 충격인성과 연성-취성 천이온도에 미치는 미세조직적 인자의 영향을 보다 정량적으로 이해하기 위해서는 보 다 넓은 범위의 펄라이트 분율 및 층상간격, 시멘타이 트 두께, 합금원소 등을 갖는 시편들에 대한 광범위한 연구가 필요할 것으로 생각된다.

    Figure

    MRSK-25-417_F1.gif

    Optical and SEM micrographs showing the microstructures of the specimens isothermally transformed at (a) and (d) 550 °C, (b) and (e) 600 °C, and (c) and (f) 650 °C after austenitization heat treatment at 950 °C.

    MRSK-25-417_F2.gif

    Absorbed energy of Charpy impact specimens tested at room temperature and lower temperature (–20 °C) as a function of (a) interlamellar spacing, (b) cementite thickness, and (c) pearlite volume fraction.

    MRSK-25-417_F3.gif

    Absorbed energy plotted as a function of test temperature for the specimens with different transformation temperature(TT). Ductile-brittle transition temperature(DBTT) are shown in the Figure.

    MRSK-25-417_F4.gif

    SEM fractographs of Charpy impact specimens tested at –100 °C, 50 °C and 200 °C for the specimens isothermally transformed at 550 °C and 650 °C.

    MRSK-25-417_F5.gif

    (a) Equilibrium phase and (b) isothermal transformation diagrams showing the influence of transformation temperature on the pearlite fraction of proeutectoid steels.10)

    MRSK-25-417_F6.gif

    (a) Schematic diagram and (b) literature data to explain the effect of interlamellar spacing on ductile-brittle transition temperature. 9,13)

    Table

    Microstructural factors and impact properties of the hypoeutectoid steel specimens investigated in this study.

    Reference

    1. Bae CM , Lee CS , Nam WJ (2002) Mater. Sci. Technol, Vol.18 (11) ; pp.-1317
    2. Kavishe FPL , Baker TJ (1986) Mater. Sci. Technol, Vol.2 (8) ; pp.-816
    3. O'Donnelly BE , Reuben RL , Baker TN (1984) Met. Technol, Vol.11 (1) ; pp.-45
    4. Pickering FB , Garbarz B (1987) Scripta Metall, Vol.21 (3) ; pp.-249
    5. Ray KK , Mondal D (1991) Acta Metall. Mater, Vol.39 (10) ; pp.-2201
    6. Bae CM , Nam WJ , Lee CS (1999) Scripta Mater, Vol.41 (6) ; pp.-605
    7. Sim HJ , Lee YB , Nam WJ (2004) J. Mater. Sci, Vol.39 (5) ; pp.-1849
    8. Hyzak JM , Bernstein IM (1976) Metall. Trans. A, Vol.7A (8) ; pp.-1217
    9. Nakase K , Bernstein IM (1988) Metall. Trans. A, Vol.19A (11) ; pp.-2819
    10. Porter DA , Easterling KE , Sherif MY (2009) Phase Transformations in Metals and Alloys, CRC press,
    11. Cheetham D , Ridley N (1975) Met. Sci, Vol.9 (9) ; pp.-411
    12. Houin JP , Simon A , Beck G (1981) Trans. ISIJ, Vol.21 (10) ; pp.-726
    13. Gladman T , Mcivor ID , Pickering FB (1972) J. Iron Steel Inst, Vol.210 (12) ; pp.-916
    14. Ohmori Y , Honeyconbe RWK (1971) Trans. ISIJ, Vol.11; pp.-1160
    15. Burns KW , Pickering FB (1964) J. Iron Steel Inst, Vol.202 (11) ; pp.-899
    16. Rinebolt JA , Harris WJ Jr (1951) Trans. A. S. M, Vol.43; pp.-1175