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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.27 No.10 pp.524-529
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2017.27.10.524

Effect of Strain Aging on the Tensile Properties of an API X70 Linepipe Steel

Seung-Wan Lee, Sang-In Lee, Byoungchul Hwang†
Department of Materials Science and Engineering, Seoul National University of Science and Technology, Seoul 01811, Republic of Korea
Corresponding author bhwang@seoultech.ac.kr (B. Hwang, Seoul Nat’l Univ. Sci. and Tech.)
September 6, 2017 September 6, 2017 September 11, 2017

Abstract

The effect of strain aging on the tensile properties of API X70 linepipe steel was investigated in this study. The API X70 linepipe steel was fabricated by controlled rolling and accelerated cooling processes, and the microstructure was analyzed using optical and scanning electron microscopes and electron backscatter diffraction. Strain aging tests consisting of 1% pre-strain and thermal aging at 200 °C and 250 °C were conducted to simulate U-forming, O-forming, Expansion(UOE) pipe forming and anti-corrosion coating processes. The API X70 linepipe steel was composed of polygonal ferrite, acicular ferrite, granular bainite, and bainitic ferrite whose volume fraction was dependent on the chemical composition and process conditions. As the thermal aging temperature increased, the steel specimens showed more clearly discontinuous type yielding behavior in the tensile stress-strain curve due to the formation of a Cottrell atmosphere. After pre-strain and thermal aging, the yield and tensile strengths increased and the yield-to-tensile strength ratio decreased because yielding and aging behaviors significantly affected work hardening. On the other hand, uniform and total elongations decreased after pre-strain and thermal aging since dislocation gliding was restricted by increased dislocation density after a 1% pre-strain.


API X70 라인파이프강의 인장 특성에 미치는 변형 시효의 영향

이 승완, 이 상인, 황 병철†
서울과학기술대학교 신소재공학과

초록


    National Research Foundation of Korea
    NRF-2017R1A2B2009336

    Ministry of Trade, Industry and Energy
    No.10063488

    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    원유나 천연가스를 유정에서 항구 또는 정유지까지 수 송하는 용도로 사용되는 라인파이프강은 미국석유협회 (american petroleum institute, API) 규정의 항복 강도에 따라 API X60, API X70, API X80 등으로 크게 분류된 다. 현재 시베리아나 알래스카와 같은 극저온 조건뿐만 아니라 심해저의 고압 조건 등에서도 유전 개발이 활발 히 이루어짐에 따라 보다 우수한 강도, 저온인성, 내부 식성 등을 갖는 라인파이프강이 개발되어 사용되고 있다.1)

    최근 라인파이프강에서는 지반의 움직임이나 심해저의 고압 조건에 따라 외부 소성변형에 대한 파괴저항성을 증가시키기 위하여 높은 균일 연신율(uniform elongation) 과 저항복비를 추가적으로 요구하기도 한다. 그러나 이들 라인파이프강은 UOE(U-forming O-forming Expansion) 성형과 부식방지 코팅 과정(anti-corrosion coating process) 에서 발생하는 변형 시효(strain aging)에 의해 균일 연신율이 감소되거나 항복비가 높아져 라인파이프강의 변 형 능력이 크게 저하되는 실정이다. 따라서 극한 환경에 사용되는 고변형률 라인파이프강을 제조하기 위해서는 UOE 성형과 코팅 과정에서 발생하는 변형 시효에 의한 균일 연신율과 항복비의 변화를 이해하는 것이 매우 중 요하다.2-6)

    일반적으로 항복 강도 대비 인장 강도인 항복비가 증 가할수록, 균일 연신율이 낮아질수록 재료의 변형 능력 이 저하되기 때문에 저항복비와 높은 균일 연신율을 동 시에 갖는 라인파이프강을 제조하기 위해서는 제조 공 정에서 발생하는 변형 시효의 영향을 체계적으로 이해 하여야 한다. 따라서 본 연구에서는 현재 가장 널리 사 용되고 있는 API X70 라인파이프강의 미세조직을 EBSD (electro basksctter diffraction)를 이용하여 정량적으로 분 석하고, 변형 시효에 따른 인장 특성을 평가한 후 미세 조직과 변형 시효가 인장 특성에 미치는 영향을 조사하 였다.

    2.실험 방법

    본 연구에서 사용된 합금은 Fe-0.06C-1.55Mn-0.25Si- 0.03(S+Al)-0.2(Ni+Cr)-0.04Nb(wt. %) 의 화학조성을 갖 는 API X70 라인파이프강이다. 이 라인파이프강은 1,140 °C에서 오스테나이트화 처리하고, 비재결정 오스테나이트 영역(non-recrystallization austenite region)에서 80 % 이 상의 압하율로 압연을 실시하고, Ar3 온도에서 압연 종 료 후 약 500 °C까지 30 °C/s 이상의 속도로 냉각을 실 시하였다. 미세조직은 인장 시험의 방향을 고려하여 압연 판재의 L-T(longitudinal-transverse) 면을 연마하고, 3 % 나이탈 용액으로 에칭한 후 광학현미경과 주사전자현미 경(scaninng elctron microscope)으로 관찰하였다. EBSD 분석은 압연 판재의 L-S(longitudinal-short transverse) 면에 대하여 FE-SEM(field-emission scanning electron microscopy, S-4300SE, Hitachi, Japan) 내에서 실시하고, 결정 방위는 EDAX-TSL 사(TexSEM Laboraories, Inc.)에서 제공되는 OIM(orientation imaging microscopy) Analysis 소프트웨어를 이용하였다. 이를 위해 시편 표면을 기계 적으로 연마한 후 colloidal silica 현탁액으로 최종 연마 하여 기계적 연마로 발생한 표면의 결함을 제거하였다.

    한편 라인파이프강의 제조공정에서 발생하는 UOE 성 형과 부식 방지를 위한 코팅 과정에서 발생하는 변형 시 효의 특성을 모사하기 위해서 1 % 예비 변형(pre-strain) 후 200 °C와 250 °C 에서 5분 동안 시효(aging) 열처리 를 실시하였다. 인장 시험은 ASTM E8 표준 시험법에 따라 시편의 압연 방향으로 표점 거리 25 mm, 직경 6.3 mm의 sub-size 봉상 형태로 가공하고, 10 톤 용량의 만 능 시험기(ULM-T10, MTDI, Korea)를 사용하여 5 mm/ min의 cross-head 속도로 상온에서 인장 시험하였다.

    3.실험 결과 및 고찰

    3.1.미세조직 분석

    본 연구에서 제조된 라인파이프강의 미세조직은 크게 PF(polygonal ferrite), GB(granular bainitic ferrite), BF (bainitic ferrite), AF(acicular ferrite)로 분류하였고, MA (martensite-austenite) 상은 BF와 GB 조직 내에 포함된 형태로 존재하여 별도로 분류하지 않았다. 변형 시효 전 의 미세조직을 광학현미경과 주사전자현미경으로 관찰한 결과를 Fig. 1에 나타내었고, 구분된 미세조직을 표시하 였다. PF는 다각형의 페라이트 형태로, AF는 불규칙한 침상형 페라이트 형태로 관찰된다. GB는 등축정 형태의 조대한 결정립 내부에 작은 하부 구조들이 관찰되고, BF 는 침상 형태의 페라이트가 평행하게 배열된 형태를 나 타낸다. 광학현미경과 주사전자현미경을 통한 미세조직 관 찰은 미세조직의 특징, 분율의 정량적인 분석에 한계가 있기 때문에 EBSD 분석을 추가적으로 실시하였다.

    Fig. 2의 EBSD 분석결과를 보면, GB(grain boundary) map 에서 PF는 고경각 결정립계를 가지며, 내부에 하부 구조가 거의 없으며, KAM(kernel average misorientation) map 에서 낮은 전위밀도를 갖는 것으로 관찰되었다. Fig. 2의 IQ(image quality)와 IPF(inverse pole figure) map 에서 AF는 오스테나이트 입내에서 생성되어 입계가 불 규칙하며, 미세한 결정립이 서로 다른 방위를 나타내는 것으로 관찰된다. 이로 인해 AF는 우수한 강도와 저온 충격인성의 조합을 나타내는 특성을 가지고 있으며, 본 연구에서 71.4 %의 가장 높은 분율로 측정되었다. GB는 등축정의 MA상을 포함하면서 고경각의 큰 입내에 저경 각의 입상 형태 하부구조를 가지고 있는 특징을 갖는 데, 그 분율은 15.8 %로 측정되었다. BF는 오스테나이 트 입계로부터 생성된 평행한 침상 형태의 조직으로 결 정립 내부에 많은 저경각계를 나타내는 것이 GB와 비 슷하지만, GB와 달리 내부의 하부구조가 침상 형태로 발 달된 차이점이 있다. 또한 BF는 KAM map에서 주변에 높은 전위밀도가 나타나며, 5.6 %의 가장 낮은 분율로 측 정되었다.7)

    실제로 각각의 미세조직 분율은 Fig. 2의 GOS(grain orientation spred) map 등의 EBSD 분석 결과를 종합하 여 측정되었는데, GOS는 미세조직에 존재하는 각각의 결 정립 내부의 포인트들을 모두 동일시한 포인트들의 평 균 방위차를 나타낸 것이다.8) 먼저 OIM 소프트웨어에 서 GOS의 평균 방위차를 5°로 설정하여 PF 분율을 측 정하고, 조대한 결정립 내부에 저경각인 입상 형태의 하 부구조를 가진 GB와 평행한 조대한 결정립과 레스(lath) 형태의 하부구조 특성을 가진 BF의 분율을 측정한 후 나머지 부분을 balance 값으로 설정하여 AF 분율을 측 정하였다.

    본 연구에서와 같이 비재결정 영역에서의 강압하와 가 속냉각으로 제조된 라인파이프강은 일반적으로 매우 복 잡한 미세조직을 가지는데 이는 비재결정 영역에서 오 스테나이트 결정립 내부에 변형띠가 형성되어 페라이트 의 추가적인 핵 생성 자리를 제공하기 때문이다.9) 본 연 구에서 제조된 API X70 라인파이프강은 단상 영역에서 압연을 실시하고 베이나이트 변태 온도 이상에서 냉각 을 종료하여 GB와 BF같은 저온변태상의 생성이 억제되 고, 높은 온도에서 느린 속도로 냉각될 때 발생하는 조 직인 PF가 빠른 냉각속도로 인해 생성이 크게 억제되어 낮은 분율로 형성되었다. 반면 AF의 경우 비재결정 오 스테나이트 영역에서 높은 압하율로 압연이 실시됨으로 써 오스테나이트 결정립 내부의 전위밀도가 높아져 페 라이트의 핵생성 장소가 증가하고, 비교적 빠른 냉각속 도로 수냉되었기 때문에 결정립계가 불규칙하고 미세한 AF 조직이 높은 분율로 형성되었다.10,11)

    3.2.변형 시효에 따른 인장 특성 변화

    변형 시효에 따른 라인파이프강의 인장 응력-변형률 곡 선을 Fig. 3에 나타내고, 항복 강도, 인장 강도, 총 연 신율, 균일 연신율, 항복비, 그리고 가공경화지수를 측정 하여 Table 1에 정리하였다. 본 연구에서 제조된 라인파 이프강은 항복 강도 483MPa (70 ksi) 이상으로 API X70 라인파이프강의 규격을 만족하였다. 변형 시효에 관계없 이 모든 시편에서 불연속 항복 거동을 나타나지만, 시 편에 따라 항복 거동이 조금씩 다른 것을 확인할 수 있 다(Fig. 3). 우선 200 °C 에서 시효 처리된 시편은 초기 시편보다 연속 항복 거동에 가깝게 나타났으며, 시효 온 도가 높아질 때 불연속 항복 거동이 보다 뚜렷하게 나 타났다. 일반적으로 항복점 현상이 나타나는 불연속 항 복 거동은 인장 시험 시 재료 내부에 존재하는 침입형 용질 원자와 전위 간의 상호작용에 의해 발생하는 것으 로 보고된다.12) 이에 따라 200 °C 시효에서는 전위로의 탄소 확산에 필요한 열적 활성화가 부족하여 오히려 변 형 시효 전보다 연속적인 항복 거동을 나타내며, 250 °C 시효의 경우 높은 열적 활성화에 의해 대부분의 고용된 탄소 원자가 전위에 고착되어 Cottrell 분위기를 형성함 으로써 완전한 불연속 항복을 나타나는 것으로 판단된다.

    변형 시효에 따른 항복 및 인장 강도의 변화를 살펴 보면(Fig, 4(a), Table 1), 항복 강도는 인장 강도에 비해 증가량이 상대적으로 크게 나타난다. 실제로 증가된 항 복 강도는 변형 시효 후 예비 변형에 의한 가공경화 효 과와 열처리에 의한 시효 효과로 나누어 생각할 수 있 다. 먼저 1 % 예비 변형으로 증식된 전위들은 기존의 재 료 내부에 존재하던 전위 또는 결함들과의 상호작용에 의한 가공경화 효과 때문에 항복 강도가 23 MPa 정도 높아진다. 이후 시효 열처리에 따라 탄소 원자들이 확 산되어 전위로 고착되면서 Cottrell 분위기를 형성하여 항 복 강도가 다시 증가한다. 변형 시효된 시편의 인장 강 도는 항복점 이후 탄소 원자의 전위 고착, 전위 증식 및 집적 등의 다양한 요인에 의해 결정된다.

    한편 변형 시효에 따른 항복 강도 증가는 인장 강도 증가보다 크므로 항복비가 높아지는 경향을 나타낸다(Fig. 3(b), Table 1). 진응력과 진변형률 곡선의 기울기로 나 타내는 가공경화지수의 경우 시효 온도 증가에 따라 감 소되었다. 이는 높은 AF 분율을 가진 시편이 예비 변 형과 인장 시험 동안 AF 주변에 많은 양의 가동전위가 형성되었기 때문으로 생각된다.13) 또한 변형 시효에 따른 총 연신율과 균일 연신율의 변화를 살펴보면(Fig. 4(b), Table 1), 변형 시효 후 총 연신율과 균일 연신율은 감 소하는 경향을 나타내었다. 이는 변형 시효 후 기존의 시편 내부에 존재하던 전위들이 항복점 이후에 Cottrell 분위기로부터 해방되고, 이후 소성변형에 의해 전위밀도 가 증가되어 증가된 자유 전위(free dislocation)들 간의 상호작용에 의해 슬립이 억제되기 때문으로 생각 될 수 있다. Fig. 5에 다른 연구자들에 의해 최근 보고된 라인 파이프강의 변형 시효에 따른 인장 특성과 본 연구 결 과를 비교하여 나타내었다.2,13-15) 제조된 라인파이프강들 의 미세조직은 연구자들마다 다르지만, 변형 시효 후 항 복비가 증가하고 균일 연신율이 감소하고, 시효 온도 가 증가할수록 변형량이 증가하는 공통적인 경향을 보 였다. 이러한 변형 시효에 따른 인장 특성 변화는 결정 립 크기, 상 분율, 이차상의 종류, 형상 및 전위 밀도 등의 다양한 미세조직적 인자들에 의해 영향을 받기 때 문에 우수한 강도와 변형률 특성을 갖는 라인파이프강 을 개발하기 위해서는 앞으로 보다 넓고, 체계적인 연 구가 필요할 것으로 판단된다.

    4.결 론

    본 연구에서는 API X70 라인파이프강의 미세조직을 광 학현미경, 주사전자현미경 및 EBSD 분석을 통해 정량 적으로 측정하고, 예비 변형과 시효 열처리 전/후 인장 시험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

    • 1) 본 연구에서 제조된 API X70 라인파이프강은 낮 은 탄소 함량과 비재결정 영역에서의 강압하 및 가속냉 각에 의해 PF, AF, GB 및 BF 상으로 이루어진 매우 복잡한 미세조직을 나타내었다.

    • 2) API X70 라인파이프강은 시효 온도가 증가함에 따 라 보다 뚜렷한 불연속 항복 거동을 보였는데, 이는 250 °C시효의 경우 상대적으로 높은 열적 활성화에 의해 대 부분의 고용된 용질 원자가 전위에 고착되어 Cottrell 분 위기를 형성하기 때문으로 판단된다.

    • 3) 변형 시효 후 시효 온도가 높아짐에 따라 항복 및 인장 강도가 증가하였는데, 이는 1 % 예비 변형으로 증 가된 전위밀도에 의한 가공경화 효과와 이후 시효 열처 리에 따라 Cottrell 분위기를 형성하여 강도가 증가된 것 으로 생각된다. 또한 변형 시효에 따른 항복 강도 증가 는 인장 강도 증가보다 크므로 항복비가 높아지는 경향 을 나타내었다.

    • 4) 변형 시효 후 시효 온도가 높아짐에 따라 균일 연 신율은 감소하였는데, 이는 기존의 시편 내부에 존재하 던 전위들이 항복점 이후에 Cottrell 분위기로부터 해방 되고, 이후 소성변형에 의해 전위밀도가 증가되면서 전 위들 간의 상호작용에 의해 슬립이 억제되기 때문이다.

    Acknowledgment

    This work was supported by the Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea(NRF-2017R1A2B2009336) and the Technology Innovation Program(Grant No. 10063488) funded by the Ministry of Trade, Industry and Energy(MOTIE), Korea.

    Figure

    MRSK-27-524_F1.gif

    (a) Optical and (b) SEM micrographs of the API X70 linepipe steel.

    MRSK-27-524_F2.gif

    EBSD image quality(IQ), inverse pole figure(IPF), grain boundary(GB), Kernel average misorientation(KAM) and grain orientation spread(GOS) maps of the API X70 linepipe steel.

    MRSK-27-524_F3.gif

    (a) Engineering stress - strain curves obtained from the room temperature tensile test for the API X70 linepipe steel before and after 1 % pre-strain and thermal aging at 200 °C and 250 °C, and (b) an larged engineering stress-strain curves of the yielding behavior in gray box in Fig. 3(a).

    MRSK-27-524_F4.gif

    Variation of (a) yield and tensile strengths, (b) yield ratio and strain hardening exponot(n-value), and (c) uniform and total elongations of the API X70 linepipe steel before and after 1 % pre-strain and thermal aging at 200 °C and 250 °C.

    MRSK-27-524_F5.gif

    (a) Yield ratio and (b) uniform elongation as a funtion of the pre-strain and thermal aging at 200 °C and 250 °C of the API X70 linepipe steel in this study and various API linepipe steels previously reported.2,13-15)

    Table

    Tensile properties of the API X70 linepipe steel specimens before and after 1 % pre-strain and thermal aging at 200 °C and 250 °C.

    Reference

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