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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.27 No.9 pp.477-483
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2017.27.9.477

Microstructure, Hardness and Tensile Properties of 600 MPa-Grade High-Strength and Seismic Resistant Reinforcing Steels

Ha-Neul Seo, 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 Technol.)
August 7, 2017 August 18, 2017 August 21, 2017

Abstract

This present study deals with the microstructure and tensile properties of 600 MPa-grade high strength and seismic resistant reinforcing steels. The high strength reinforcing steel (SD 600) was fabricated by Tempcore processing, while the seismic resistant reinforcing steel (SD 600S) was air-cooled after hot-rolling treatment. The microstructure analysis results showed that the SD 600 steel specimen consisted of a tempered martensite and ferrite-pearlite structure after Tempcore processing, while the SD 600S steel specimen had a fully ferrite-pearlite structure. The room-temperature tensile test results indicate that, because of the enhanced solid solution and precipitation strengthening caused by relatively higher contents of C, Mn, Si and V in the SD 600S steel specimen, this specimen, with fully ferrite-pearlite structure, had yield and tensile strengths higher than those of the SD 600 specimen. On the other hand, the hardness of the SD 600 and SD 600S steel specimens changed in different ways according to location, dependent on the microstructure, ferrite grain size, and volume fraction.


600 MPa급 고강도 일반 및 내진 철근의 미세조직, 경도와 인장 특성

서 하늘, 이 상인, 황 병철†
서울과학기술대학교 신소재공학과

초록


    National Research Foundation of Korea
    2017R1A2B2009336

    © 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

    최근 건물의 고층화와 세계 곳곳에서 발생하는 지진으 로 인해 건축물의 안전에 대한 중요성이 커지면서 초고 층/초대형 건축물에 대한 안정성 확보와 국내의 증가하 는 지진에 대비하여 내진 성능을 향상시킨 고강도 내진 철근이 큰 관심을 받고 있다.1-5) 실제로 항복 강도(yield strength, YS) 300~500 MPa급 일반 강도의 철근 제품을 사용할 경우 수직 부재의 단면이 증가한 만큼 철근의 소 요량이 많아지면서 자재 비용의 상승으로 수요자의 경 제적인 부담이 커지는 문제점이 있다. 최근 내진 철근 규격 KS D 3504에서는 항복 강도 600 MPa급까지 반 영되었지만, 앞으로 보다 높은 항복 강도와 내진 성능 을 갖는 600 MPa급 이상의 초강도강 내진 철근을 개 발하기 위해서는 다양한 제조 방법으로 제조된 상용 고 강도 철근의 미세조직, 경도, 인장 특성을 우선적으로 이 해하는 것이 필수적이다.1-8)

    본 연구에서 사용된 항복 강도 600 MPa급 고강도 일 반 철근 시편의 표준 규격은 항복 강도 600~780 MPa, 인장 강도(tensile strength, TS)는 항복 강도의 1.08배 이상, 총 연신율 10 % 이상 등으로 나타나며, 항복 강 도 600 MPa급 고강도 내진 철근 시편의 표준 규격은 항 복 강도 600~720 MPa, 인장 강도는 항복 강도의 1.25 배 이상, 총 연신율 10 % 이상 등으로 나타난다.8) 특히 내진용으로 설계된 철근은 항복 강도 대비 인장 강도(TS/ YS비)가 1.25 이상이 되어야 하는데 이는 지진이나 충 격 등의 외부 하중이 철근 구조물에 가해질 경우 철근 이 항복 이후 소성 변형이 일어나는 과정에서 외부 에 너지를 충분히 흡수하기 위해서이다. 본 연구에서는 항 복 강도 600 MPa를 가진 일반 고강도 철근과 내진 고 강도 철근에 대해 미세조직, 경도 및 인장 특성을 비교 함으로써 미세조직과 기계적 특성의 상관관계를 이해하 고, 이를 통해 향후 600 MPa 이상의 초고강도 내진 철 근 개발에 도움이 되고자 하였다.

    2.실험 방법

    본 연구에서 사용된 철근 시편은 동국제강(주)으로부터 공급받은 600 MPa 급 고강도 일반 철근과 고강도 내 진 철근이며, 이들의 자세한 화학 조성 및 범위는 Table 1에 나와 있다. 본 연구에서는 항복 강도 600 MPa 급 고강도 일반 및 내진 철근 시편을 편의상 ‘SD 600’ 및 ‘SD 600S’로 표기하였다. 최근 새롭게 개정된 국내 철 근 규격인 KS D 3504에서 고강도 일반 철근과 내진 철 근 모두 P와 S 함량을 낮추고 있고, 특히 내진 철근의 경우 제조 시 용접 결함의 문제를 고려하여 탄소 당량 (Ceq)의 수치를 0.67 이하로 규제하고 있다. 한편 고강도 내진 철근 시편의 화학 조성을 보면, C, Si, Mn 및 V 함량이 고강도 일반 철근보다 모두 높은 것을 확인할 수 있는데, 이는 고용강화 및 석출경화에 의한 강도 증가 를 위해서이다. 또한 고강도 일반 및 내진 철근 모두 Cu 가 0.2 wt% 이상 포함되어 있는데, 이는 철근 제조 시 사용되는 철근 스크랩으로부터 Cu가 필연적으로 포함되 기 때문이다. Cu 첨가 시 고용강화에 의한 강도 상승의 효과도 가지지만 과잉으로 첨가될 경우 인성, 가공성 및 용접성을 저하시킬 수 있다.9)

    본 연구에서 사용된 철근은 1,100 °C 이상에서 재가열 한 후 900 °C 이상에서 직경 16 mm로 열간 압연하였다. 열간 압연 이후 고강도 일반 철근은 템프코어(Tempcore) 공정을 통해 수냉 처리를 실시하였고, 고강도 내진 철 근은 공냉 처리하여 제조하였다. 제조된 철근들의 미세 조직은 시편의 단면을 기계적으로 연마하고 3 % 나이탈 용액으로 에칭한 후 광학현미경(OM, optical microscope; BA310Mat, Motic, China) 및 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope; AIS1800C, Korea)으로 관찰 하였다. 페라이트 결정립 크기는 ASTM E 112 표준 시 험법에 따라 일정 길이의 선 내 페라이트 입계 수를 세 어 평균 결정립 크기를 측정하였고, 페라이트/펄라이트 분 율은 영상(image analyzer; Image-Pro PLUS 4.5, Media Cybernetics, U.S.A.)를 사용하여 측정하였다. 경도 시험 은(FM-800, Future-Tech Corp., Japan)를 이용하였으며, 표면으로부터 1 mm간격으로 하중 500 gf 하에서 유지시 간 15초로 실시하였다.

    한편 변형률 속도에 따른 인장 특성 변화를 조사하기 위하여 KS B 0801 표준 시험법에 따라 표점 거리 128 mm, 물림 간격 160 mm로 인장 시편을 제조한 후 100 톤 용량의 만능재료시험기(JI-105A, 제일정밀, 한국)를 이 용하여 2 mm/min, 20 mm/min 및 200 mm/min의 crosshead 속도로 상온에서 인장 시험을 실시하였다. 인장 시 험에 따른 응력-변형률 곡선으로부터 얻은 항복 강도는 연속 항복 거동을 보인 경우 0.2 % off-set한 유동응력을 항복 강도로 하고, 불연속 항복 거동을 보인 경우 하부 항복점을 항복 강도로 규정하였다. 또한 인장 강도, 균일 연신율(uniform elongation) 및 총 연신율(total elongation) 을 측정하여 미세조직과 인장 특성의 상관관계를 고찰 하고자 하였다.

    3.실험 결과 및 고찰

    3.1.미세조직

    일반적으로 철강 재료의 미세조직은 화학 조성과 제조 공정에 의해 결정되는데, 본 연구에서 사용된 고강도 일 반 및 내진 철근 시편의 경우 템프코어 공정의 적용 유 무에 따라 최종 미세조직이 다르게 나타난다. Fig. 1에 고강도 일반 SD 600 철근 시편의 템프코어 제조 공정 에 따른 미세조직 변화를 도식화하여 나타내었다. 열간 압연 이후 템프코어 공정이 진행되면 표면부는 급랭되 어 마르텐사이트 및 베이나이트 등의 저온 변태 조직이 나타나며, 이 경화층의 두께는 화학 조성과 템프코어 공 정 조건에 의해 결정된다. 템프코어 공정 후 공냉 시 표 면부와 중심부의 온도 구배가 나타나는데 이때 중심에 서 표면으로의 열전달에 의해 표면에 형성된 저온 변태 조직이 템퍼링된다. 한편 중심부의 미변태 오스테나이트 는 공냉 과정에서 페라이트 및 펄라이트로 형성된다. 따 라서 템프코어 공정을 사용하는 고강도 일반 철근의 최 종 미세조직은 템퍼드 마르텐사이트 및 베이나이트와 페 라이트-펄라이트의 복합조직으로 구성된다. 이와는 달리 고강도 내진 SD 600S 철근 시편의 경우 열간 압연 후 템프코어 공정을 거치지 않고 바로 공냉을 실시하여 제 조하기 때문에 표면 경화층 없이 모든 부위에서 페라이 트-펄라이트 미세조직이 나타난다.

    본 연구에서 사용된 철근 시편의 표면(표면으로부터 0.5 mm 이내, surface), 표면과 중심 사이(표면에서 3 mm 이내, middle), 및 중심(center)부의 미세조직을 관찰한 광 학현미경 사진을 Fig. 2에 나타내었다. 고강도 일반 SD 600 철근 시편의 경우 앞에서 설명한 바와 같이 템프 코어 공정에 의해 표면부에서는 저온 변태 조직이 형성 되어 있으며, 중심부로 갈수록 페라이트-펄라이트 조직이 나타남을 확인할 수 있다. 그러나 고강도 내진 SD 600S 철근 시편은 위치에 관계없이 모두 페라이트-펄라이트 조 직이 나타내었다. 고강도 내진 SD 600S 철근 시편의 경 우 표면부가 중심부보다 다소 미세한 결정립 특성을 나 타내는데, 이는 냉각 시 표면의 빠른 냉각속도로 인해 결정립 성장이 억제되거나 또는 열간 압연 시 표면부가 중심부보다 상대적으로 많이 변형되어 더 많은 핵생성 장소를 제공하기 때문으로 생각된다.10,11)

    고강도 일반 SD 600 철근 시편의 표면에 형성된 저 온 변태 조직 및 공통적으로 형성된 페라이트-펄라이트 조직을 좀 더 자세히 분석하기 위해 SEM으로 관찰한 미세조직 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 이를 살펴보면, 고 강도 일반 SD 600 철근 시편의 표면부에 형성된 저온 변태 조직은 침상형의 템퍼링된 레스 마르텐사이트 조 직으로 템퍼링에 의해 형성된 미세 석출물들이 관찰된 다. 중심부에서는 페라이트와 시멘타이트의 층상 구조로 이루어진 펄라이트가 잘 나타난다. 또한 고강도 일반 SD 600 철근 시편에서 표면부와 중심부 사이의 미세조직을 보면, 템퍼드 마르텐사이트와 페라이트-펄라이트가 혼합 된 미세조직을 나타낸다. 고강도 일반 SD 600 철근 시 편의 경우 고강도 내진 SD 600S 철근 시편보다 미세 하고 불규칙한 형태의 페라이트들이 많이 나타나는데, 이 는 고강도 일반 SD 600 철근 시편의 경우 템프코어 공 정에 의해 냉각속도가 빠르기 때문으로 생각된다.12)

    3.2.경도 특성

    고강도 일반 SD 600 철근 시편 및 고강도 내진 SD 600S 철근 시편에 대하여 표면부에서 중심부 방향으로 1mm간격으로 측정한 경도 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 고강도 일반 SD 600 철근 시편의 경도 결과를 보면(Fig. 4(a)), 표면부는 템퍼드 마르텐사이트의 형성에 의해 약 350 Hv로 가장 높은 경도를 보였고, 중심부로 갈수록 페 라이트-펄라이트 조직이 형성되어 경도가 낮아지는 경향 을 나타내었다.

    한편 고강도 내진 SD 600S 철근 시편의 경우 모든 부위에서 페라이트-펄라이트 조직을 가지기 때문에 위치 에 관계없이 250~300 Hv사이의 유사한 경도를 나타낸 다. 두께별 위치에 따른 경도 변화를 보다 자세히 살펴 보면, 표면부로 갈수록 경도가 대체로 감소한다. 이는 표 면부의 경우 보다 작은 오스테나이트 결정립 크기로 인 해 페라이트 형성을 위한 핵생성 처가 증가하여 페라이 트 결정립 크기가 작아지지만 페라이트 분율의 증가(Fig. 5)가 더 큰 작용을 하기 때문이다.13)

    고강도 일반 SD 600 철근 시편과 고강도 내진 SD 600S 철근 시편에서 공통적으로 존재하는 페라이트-펄라 이트 조직의 경도를 비교해 보면, 고강도 내진 SD 600S 철근 시편이 상대적으로 높은 경도를 나타내는데, 이는 고강도 내진 SD 600S 철근 시편의 경우 고강도 일반 SD 600 철근 시편에 비해 결정립 크기가 조대하지만 C 및 V 함량이 상대적으로 높아 펄라이트 분율이 높고, VC 및 VN 등의 미세 석출물들이 많이 형성되기 때문이다.14)

    3.3.인장 특성

    본 연구에서 사용된 고강도 일반 및 내진 철근 시편 의 변형률 속도에 따른 상온 인장 곡선을 Fig. 6에 나 타내었고, 이로부터 얻어진 항복 강도, 인장 강도, 항복 강도 대비 인장 강도 (TS/YS), 균일 연신율 및 총 연신 율을 Table 2에 정리하였다. 공칭 응력-변형률 곡선을 보 면(Fig. 6), SD 600 시편과 SD 600S 시편 모두 변형률 속도에 관계없이 불연속 항복 거동을 나타내었다. 그러 나 SD 600 시편의 경우 SD 600S에 비해 뚜렷한 항복 점이 나타나지 않는데, 이는 SD 600 시편의 경우 템프 코어 공정으로 형성된 마르텐사이트가 페라이트-펄라이트 조직의 불연속 항복 거동을 억제시키기 때문이다.15,16)

    고강도 일반 SD 600 철근 시편과 고강도 내진 SD 600S 철근 시편의 인장 특성을 자세히 비교해보면(Table 2), 항복 강도의 경우 고강도 내진 SD 600S 철근 시편 이 고강도 일반 SD 600 철근 시편보다 높은 항복 강도 를 나타내었다. 이는 고강도 내진 SD 600S 철근 시편 의 경우 표면부에 템퍼드 마르텐사이트 조직과 같은 경 화층을 갖지 않더라도 높은 C 및 V 함량으로 인하여 중심부의 펄라이트 분율 증가와 VC 및 VN 등의 미세 석출물에 의한 강화 효과가 충분히 크기 때문이다.17-20) 인장 강도의 경우도 항복 강도의 결과와 동일한 경향을 보였는데, 그 차이는 다르게 나타났다. 고강도 내진 SD 600S 철근 시편의 경우 고강도 일반 SD 600 철근 시 편보다 인장 강도가 크게 높아 보다 우수한 항복 강도 대비 인장 강도 값을 나타내었다. 이는 고강도 내진 SD 600S 철근 시편에 존재하는 다량의 펄라이트가 가공경 화를 크게 증가시키기 때문으로 생각된다.

    최근 항복 강도 대비 균일 연신율이 내진 철근의 주 요한 인자로 고려되고 있는데, 이는 항복 이후 네킹이 발생하기 전까지의 변형률로 전위 활주에 의한 슬립이 중요한 역할을 한다. 고강도 내진 SD 600S 철근 시편 의 경우 상대적으로 높은 균일 연신율을 나타내는데 이 는 조대한 페라이트 결정립을 가져 페라이트 결정립 내 부에서 전위 활주를 용이하게 일으키기 때문이다.

    한편 시편 종류에 관계없이 모두 변형률 속도(즉 crosshead 속도)가 빠를수록 항복 강도, 인장 강도가 증가하 는 경향을 보였는데(Table 2), 이는 일반적으로 가공에 의 해 축적된 변형 에너지와 열적 활성화에 의한 연화의 상 대적인 양으로 설명될 수 있다. 인장 시험 시 소성변형 이 일어남에 따라 축적되는 변형에너지도 증가하지만 변 형률 속도가 빨라짐에 따라 연화는 지연되기 때문에 변 형률 속도가 빠를수록 응력이 증가하는 경향을 나타내 기 때문이다.21) 그러나 현재 KS 철근 인장 시험 규격 에는 변형률 속도에 대한 명확한 규정이 없기 때문에 향 후 철근 시편의 인장 특성을 보다 엄밀하게 평가하기 위 해서는 변형률 속도를 고려한 인장 시험 규격의 개선이 필요할 것으로 생각된다.

    4.결 론

    본 연구에서는 화학 조성 및 제조 공정에 따라 달리 제조된 고강도 일반 철근과 내진 철근의 미세조직, 결 정립 크기, 펄라이트 분율 등을 분석하고, 상온 경도 및 인장 시험을 실시하여 미세조직적 인자들과 기계적 특 성의 상관관계에 대해 분석하여 다음과 같은 결론을 얻 었다.

    • 1) 고강도 일반 SD 600 철근 시편의 경우 템프코어 과정에서 표면부에는 마르텐사이트나 베이나이트와 같은 경화층이 형성되지만, 중앙부에는 페라이트-펄라이트 조 직이 형성되었다. 이후 공냉 시 표면부와 중심부의 온 도 구배가 나타나는데, 이때 중심에서 표면으로의 열전 달에 의해 표면에 형성된 저온 변태 조직이 템퍼링된다. 따라서 템프코어 공정으로 제조된 고강도 일반 철근의 최종 미세조직은 템퍼드 마르텐사이트 및 베이나이트와 페라이트-펄라이트의 복합조직으로 구성된다.

    • 2) 고강도 일반 SD 600 철근 시편의 경우 표면부에 서 높은 경도를 나타내었는데 이는 중심부의 페라이트 -펄라이트 조직보다 경한 템퍼드 마르텐사이트가 존재하 기 때문이다. 한편 고강도 내진 SD 600S 철근 시편의 경우 두 철근 시편에서 공통적으로 존재하는 페라이트 -펄라이트 조직의 경도가 보다 높게 나타나는데 이는 C 및 V 함량이 상대적으로 높아 미세조직 내 펄라이트 분 율이 높고, 미세 석출물들이 보다 많이 형성되기 때문 이다.

    • 3) 고강도 내진 SD 600S 철근 시편의 경우 모든 부 위에서 페라이트-펄라이트 조직이 나타나며, 250~300 Hv 사이의 유사한 경도를 가진다. 두께별 위치에 따른 경 도 변화를 자세히 살펴보면, 표면부로 갈수록 경도가 대 체로 감소한다. 이는 표면부의 경우 보다 작은 오스테 나이트 결정립 크기로 인해 페라이트 형성을 위한 핵생 성 처가 증가하여 페라이트 결정립 크기가 작아지지만 페라이트 분율의 증가가 더 큰 작용을 하기 때문이다.

    • 4) 상온 인장 시험 결과 고강도 내진 SD 600S 철근 시편의 경우 고강도 일반 SD 600 철근 시편보다 높은 항복 강도를 보였는데, 이는 화학 조성의 C, Mn, Si 및 V 함량이 상대적으로 높아 고용 및 석출 강화 효과가 크기 때문이다. 또한 고강도 내진 SD 600S 철근 시편 의 경우 고강도 일반 SD 600 철근 시편보다 인장 강도 가 크게 높아 상대적으로 우수한 항복 강도 대비 인장 강도 값을 나타내었다. 이는 고강도 내진 SD 600S 철 근 시편에 존재하는 다량의 펄라이트가 가공경화를 크 게 증가시키기 때문으로 생각된다.

    Acknowledgment

    This work was supported by the Technology Innovation Program(Grant No. 10063488) funded by the Ministry of Trade, Industry and Energy(MOTIE), Korea and the Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea(NRF-2017R1A2B2009336). The authors would like to thank Dongkuk Steel for the supply of reinforcing steel bars.

    Figure

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    Schematic diagram of Tempcore processing used for the fabrication of high strength reinforcing steels.1)

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    Optical micrographs of the SD 600 and SD 600S steel specimens. Microstructure was observed on the surface, middle, and center regions of the specimens.

    MRSK-27-477_F3.gif

    SEM micrographs of the SD 600 and the SD 600S steel specimens. Microstructure was observed on the surface, middle, and center regions of the specimens.

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    Hardness as a function of location of the (a) SD 600 steel specimen with tempered martensite and ferrite-pearlite structure and (b) SD 600S steel specimen with fully ferrite-pearlite structure. The SD 600 steel specimen shows an L-shaped hardness reduction from the surface region to the center region, and the SD 600S steel specimen shows relatively similar hardness at the surface and center regions.

    MRSK-27-477_F5.gif

    Ferrite grain size and ferrite volume fraction as a function of location for the SD 600S steel specimen with fully ferritepearlite structure. Circle and triangle symbols indicate the ferrite grain size and ferrite volume fraction of the SD 600S steel specimen.

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    Engineering stress-strain curves of the (a) SD 600 steel specimen with tempered martensite and ferrite-pearlite structure and the (b) SD 600S steel specimen with fully ferrite-pearlite structure. Room-temperature tensile test was performed at cross-head speeds of 2 mm/ min, 20 mm/min, and 200 mm/min.

    Table

    Chemical composition (wt. %) and carbon equivalent (Ceq= C + 1/6Mn + 1/15Cu + 1/5V)1) of the SD 600 and SD 600S reinforcing steel specimens according to the KS D 3504 specification.2)

    Tensile properties of the SD 600 and SD 600S reinforcing steel specimens according to the KS D 3504 specification.2)

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