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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.28 No.10 pp.570-577
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2018.28.10.570

Effect of Microstructural Factors on the Strength and Deformability of Ferrite-Pearlite Steels with Different Mn and V Contents

Tae-Woon Hong1, Sang-In Lee1, Jae-Hyeok Shim2, Junho Lee3, Myoung-Gyu Lee4, Byoungchul Hwang1†
1Department of Materials Science and Engineering, Seoul National University of Science and
Technology, Seoul 01811, Republic of Korea
2High Temperature Energy Materials Research Center, Korea Institute of Science and
Technology, Seoul 02792, Republic of Korea
3Department of Materials and Engineering, Korea University, Seoul 02841, Republic of Korea
4Department of Materials Science and Engineering, Seoul National University, Seoul 08826, Republic of Korea
Corresponding author
E-Mail : bhwang@seoultech.ac.kr (B. Hwang, Seoul Nat’l Univ. of Sci. and Techn.)
August 30, 2018 August 30, 2018 September 10, 2018

Abstract


This study examines the effect of microstructural factors on the strength and deformability of ferrite-pearlite steels. Six kinds of ferrite-pearlite steel specimens are fabricated with the addition of different amounst of Mn and V and with varying the isothermal transformation temperature. The Mn steel specimen with a highest Mn content has the highest pearlite volume fraction because Mn addition inhibits the formation of ferrite. The V steel specimen with a highest V content has the finest ferrite grain size and lowest pearlite volume fraction because a large amount of ferrite forms in fine austenite grain boundaries that are generated by the pinning effect of many VC precipitates. On the other hand, the room-temperature tensile test results show that the V steel specimen has a longer yield point elongation than other specimens due to the highest ferrite volume fraction. The V specimen has the highest yield strength because of a larger amount of VC precipitates and grain refinement strengthening, while the Mn specimen has the highest tensile strength because the highest pearlite volume fraction largely enhances work hardening. Furthermore, the tensile strength increases with a higher transformation temperature because increasing the precipitate fraction with a higher transformation temperature improves work hardening. The results reveal that an increasing transformation temperature decreases the yield ratio. Meanwhile, the yield ratio decreases with an increasing ferrite grain size because ferrite grain size refinement largely increases the yield strength. However, the uniform elongation shows no significant changes of the microstructural factors.



Mn 및 V 함량이 다른 페라이트-펄라이트 조직강의 강도와 변형능에 미치는 미세조직 인자의 영향

홍태운1, 이상인1, 심재혁2, 이준호3, 이명규4, 황병철1†
1서울과학기술대학교 신소재공학과, 2한국과학기술연구원 고온에너지재료연구센터, 3고려대학교 신소재공학부, 4서울대학교 재료공학부

초록


    Ministry of Trade, Industry and Energy

    © 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

    오랫동안 타 재료에 비해 저렴한 가격과 우수한 성능 을 갖는 철강재료는 구조재, 선재 및 기계 부속품 등의 다양한 분야에서 사용되어 왔다. 최근 철강재료에서 요 구되는 성능이 높아지고, 다양해짐에 따라 이에 대한 연 구가 꾸준히 진행되고 있다.1-6) 특히 구조재로 사용되는 강재의 경우 동토지대, 심해저, 지진과 같은 가혹한 자 연환경에서의 사용이 증가함에 따라 낮은 항복비(yield ratio)나 높은 균일 연신율(unifom elongation)과 같은 우 수한 변형능(deformability)에 대한 요구가 커지고 있다. 일반적으로 이러한 변형능은 강재의 항복비와 균일 연 신율 등으로 평가된다.7,8)

    한편 페라이트-펄라이트 조직강은 다른 조직강들에 비 해 단순한 공정으로 제조 가능하고, 우수한 변형능 특 성을 가지고 있다. 이들의 강도와 변형능 특성은 페라 이트 결정립 크기(ferrite grain szie), 펄라이트 분율 (pearlite volume fraction), 층상 간격(interlamellar spacing) 및 시멘타이트 두께(cementite thickness) 등의 다양한 미 세조직 인자들에 의존한다. 일반적으로 페라이트 결정립 크기의 미세화는 강재의 강도를 증가시키며, 페라이트-펄 라이트 분율에 따라 페라이트 결정립 크기 또는 펄라이 트 층상 간격 및 시멘타이트 두께가 강도에 미치는 영 향이 달라진다.9,10) 이러한 페라이트-펄라이트 조직강의 강 도와 변형능 특성은 대체로 반비례 관계를 가지기 때문 에 높은 변형능 특성을 유지하면서 강도를 확보하기 위 해서는 합금원소 첨가에 의해 변화되는 미세조직 인자 에 관한 연구가 필요하다. 특히 망간(Mn)은 고용 강화 에 효과적인 합금원소로 치환형 고용체를 형성하여 오 스테나이트 결정립에서의 페라이트 핵생성을 억제한다. 바 나듐(V)은 고용 및 석출 강화에 효과적인 합금원소로 탄 소(C) 및 질소(N)와 결합하여 탄화물 및 질화물을 형성 하고, 결정립계를 고착시켜 결정립 성장을 억제할 수 있 다고 알려져 있다.11-15)

    현재 망간과 바나듐 등의 다양한 합금원소 함량과 열 처리 조건에 따라 변화되는 미세조직 인자가 페라이트 -펄라이트 조직강의 강도와 변형능 특성에 영향을 주지 만, 이에 대한 체계적인 연구는 다소 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 망간 및 바나듐의 합금원소 함량 과 등온 변태 온도에 따라 다양하게 변화되는 페라이트 결정립 크기, 펄라이트 분율, 층상 간격 및 시멘타이트 두께 등의 미세조직 인자를 정량적으로 분석하고, 인장 시험을 실시하여 강도와 변형능 특성에 미치는 미세조 직 인자의 영향에 대해 고찰하였다.

    2. 실험 방법

    본 연구에서 사용된 페라이트-펄라이트 조직강은 Fe- 0.3C-1.5Mn-0.35Si-0.25Cu-0.1V(wt%)을 기본 조성으로 한 강재를 편의상 ‘Base 시편’으로 표기하고, 여기에 0.2 wt%의 망간을 추가 첨가한 강재를 ‘Mn 시편’, 0.1 wt% 의 바나듐을 추가 첨가한 강재를 ‘V 시편’으로 표기하 였다. 먼저 75 Kg 단위로 진공용해된 이들 강재는 1,200 °C에서 오스테나이트화(austenization) 처리 후 950 °C 이 상의 온도에서 두께 20 mm로 열간 압연된 판재이다. 이 들은 900 °C에서 15분간 오스테나이트화 처리를 실시한 후 550 °C 또는 650 °C에서 15분간 등온 변태(isothermal transformation) 처리를 실시하여 각 강재 별로 미세조직 이 다른 2 종류의 시편을 제조하였다. 제조된 시편의 열 처리 조건에 따른 석출물의 형성을 살펴보기 위해 MatCalc 소프트웨어를 이용하여 석출물 분율(precipitate fraction) 을 계산하였고, 그 결과를 Fig. 1에 나타내었다. 같은 열 처리 조건에서 V 시편은 다른 시편들에 비해 시간에 따 라 석출되는 VC 탄화물의 양이 많으며, 높은 열처리 온 도에서 그 양이 보다 증가되는 것을 알 수 있다.

    제조된 시편들의 미세조직은 판재의 옆(L-S, longditudinalshort- transverse)면을 기계적 연마하고 3 % 나이탈 용액 으로 에칭한 후 광학현미경 및 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope, AIS800C, SERON, Korea) 을 이용하여 관찰하였다. 망간 및 바나듐 함량과 등온 변태 온도에 따른 초석 페라이트 및 펄라이트 분율은 영 상 분석기(image analyzer)를 사용하여 측정하였고, 펄라 이트내 시멘타이트 두께는 측정된 펄라이트 분율 및 층 상 간격과 O’Donnelly가 제시한 아래의 식을 이용하여 계산하였다.16)

    t c = S 0 0.15 ( w t % C ) V P

    여기서 tc는 시멘타이트 두께, S0는 펄라이트 층상 간 격, VP는 측정된 펄라이트 분율, (wt%C)는 시편의 탄소 함량을 나타낸다.

    한편 망간 및 바나듐 함량과 등온 변태 온도에 따라 달리 제조된 시편들의 인장 특성을 평가하기 위해 본 연 구에서는 ASTM E8의 표준시험법에 따라 압연 방향 (longditudinal)으로 표점 거리 25 mm, 직경 6.3 mm의 subsize 봉상 인장 시편을 제조한 후 10톤 용량의 만능시 험기(UT-100E, MTDI, Korea)를 사용하여 3.3 × 10−3/sec 의 변형률 속도로 상온에서 인장 시험하였다. 인장 시 험 후 응력-변형률 곡선으로부터 얻는 항복 강도(yield strength)는 불연속 항복 거동을 나타내는 경우 하부 항 복점(lower yield point)을 항복 강도로 하고, 연속 항복 거동을 보이는 시편들은 응력-변형률 곡선에서 0.2 % 상 쇄한 유동응력(flow stress)을 항복 강도로 정의하였으며, 인장 강도(tensile strength), 항복비 및 균일 연신율 등 을 측정하였다.

    3. 실험 결과

    본 연구에서 망간 및 바나듐 함량과 등온 변태 온도 에 따라 제조된 시편들의 미세조직을 광학현미경 및 주 사전자현미경으로 관찰한 결과를 Fig. 23에 나타내 었다. 광학현미경 관찰 결과를 보면(Fig. 2), 시편들의 미 세조직은 모두 초석 페라이트-펄라이트 조직이고, 압연 방 향에 따라 연신된 층상구조를 보였다. 주사전자현미경을 통한 펄라이트 관찰 결과를 보면(Fig. 3), 펄라이트 내 의 시멘타이트가 아공석강에서 흔히 관찰되는 일부 단 절된 형상과 전형적인 층상구조를 이루고 있었다. 광학 현미경 및 주사전자현미경 관찰 결과로부터 미세조직의 변화를 정량적으로 측정하여 Table 1에 나타내었다.

    먼저 함금원소 함량에 따른 미세조직 인자의 변화를 살 펴보면(Table 1), 망간 함량이 가장 높은 Mn 시편은 가 장 높은 펄라이트 분율을 나타내었는데, 이는 앞에서 설 명한 바와 같이 높은 망간 함량으로 인해 페라이트 핵 생성이 억제되면서 상대적으로 펄라이트 핵생성이 촉진 되기 때문이다.11) 반면 V 시편의 경우 Base 및 Mn 시 편에 비해 미세한 페라이트 결정립 크기 및 낮은 펄라 이트 분율을 나타낸다. 이는 V 시편의 경우 높은 바나 듐 함량으로 인해 Base 및 Mn 시편에 비해 많은 석출 물이 형성되면서 미세해진 오스테나이트 결정립계에서 페 라이트 핵생성이 활발하게 일어나 비교적 미세한 페라 이트 결정립 크기 및 낮은 펄라이트 분율을 나타내는 것 으로 판단된다. 펄라이트 층상 간격 및 시멘타이트 두 께의 경우 Base 시편에서 가장 미세한 결과를 보였다.

    또한 등온 변태 온도에 따른 미세조직 인자의 변화를 살펴보면(Table 1), 모든 시편에서 낮은 등온 변태 온도 에서는 높은 등온 변태 온도에 비해 높은 펄라이트 분 율을 보였고, 미세한 페라이트 결정립 크기, 펄라이트 층 상 간격 및 시멘타이트 두께를 나타내었다. 이는 페라 이트 결정립 크기의 경우 높은 등온 변태 온도에서 열 적 활성화에 의해 페라이트 결정립 크기가 조대화된 반 면, 펄라이트 분율, 층상 간격 및 시멘타이트 두께의 경 우 낮은 등온 변태 온도에서 펄라이트 생성 과냉도가 증 가하여 핵생성 구동력이 상대적으로 크기 때문이다.12)

    본 연구에서는 합금원소 함량 및 등온 변태 온도에 따 라 서로 다른 미세조직을 갖는 6 종류의 시편을 제조 한 후 상온 인장 실험을 실시하여 얻은 공칭 응력-변형 률 곡선을 Fig. 4에 나타내고, 그 결과를 Table 2에 정 리하였다. 시편들의 항복 거동을 살펴보면(Fig. 4), 서로 다른 항복 거동을 나타냈다. 일반적으로 불연속 항복 거 동에 의한 항복점 현상은 전위와 페라이트 내의 용질 원 자와의 상호작용에 의한 것으로 보고되고 있다.17) V 시 편의 경우 다른 시편들에 비해 불연속 항복 거동이 크 게 나타나는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 V 시편의 경우 페라이트의 분율이 가장 높기 때문이다. 또한 650 °C에서 등온 변태된 시편들은 550 °C에서 등온 변태된 시편들에 비해 불연속 항복 거동이 감소한 것을 확인할 수 있었는데, 이는 높은 등온 변태 온도에서 페라이트 내의 용질 원자들이 바나듐 석출물로 형성되면서 전위 와의 상호작용이 감소하였기 때문으로 판단된다. 특히 650 °C에서 등온 변태된 Mn 시편의 경우 연속 항복 거 동을 나타냈는데, 이는 다른 시편들에 비해 매우 낮은 페라이트 분율과 높은 석출물 분율이 동시에 영향을 준 것으로 생각된다.

    한편 합금원소 함량에 따른 인장 특성 변화를 살펴보 면(Table 2), 항복 강도의 경우 V 시편이 Base 및 Mn 시편에 비해 대체로 높았는데, 이는 다른 시편들에 비 해 미세한 페라이트 결정립 크기와 높은 석출물 분율때 문이다. 반면 인장 강도의 경우 Mn 시편에서 가장 높았 는데, 이는 높은 펄라이트 분율이 가공경화를 증가시켰기 때문이다. 따라서 항복 강도를 인장 강도로 나눈 값인 항 복비의 경우 항복 강도가 높지 않고, 인장 강도가 높은 Base 및 Mn 시편이 비교적 낮은 결과를 보였다. 균일 연신율의 경우 합금원소에 따라 큰 차이가 없었다.

    또한 등온 변태 온도에 따른 인장 특성 변화를 살펴 보면(Table 2), 항복 강도의 경우 등온 변태 온도에 따 른 변화는 크지 않는 반면, 인장 강도의 경우 높은 등 온 변태 온도에서 증가하였고, 이로 인해 항복비 또한 감소하였다. 이는 석출물 분율의 증가가 가공경화에 큰 영향을 미쳤기 때문으로 판단되는데, 일반적으로 전위가 기지(matrix)와의 계면이 부정합(incoherent)인 석출물들 사이를 지나가는 과정에서 서로 엉켜 축적되면서 가공 경화를 증가시킨다고 보고되고 있다.17)

    4. 결과 및 고찰

    최근 가혹한 환경에서의 구조재 사용이 증가함에 따라 재료의 고변형능 특성이 중요시되고 있는데, 이러한 변 형능은 재료의 항복비와 균일 연신율 등으로 설명될 수 있다.7,8) 우수한 변형능을 가지는 페라이트-펄라이트 조 직강의 기계적 특성은 미세조직에 크게 의존하기 때문 에 합금원소 첨가 및 열처리 조건에 의해 다양하게 변 화하는 미세조직 인자와 기계적 특성의 상관관계를 이 해하는 것이 매우 중요하다.

    Fig. 5과 Fig. 6에 펄라이트 분율, 페라이트 결정립 크 기, 층상 간격 및 시멘타이트 두께에 따른 항복비와 균 일 연신율의 변화를 나타냈다. 먼저 미세조직 인자에 따 른 항복비의 변화를 살펴보면(Fig. 5), 페라이트 결정립 크기가 증가함에 따라 항복비가 대체로 감소하는 경향 을 보였다. 항복비는 항복 강도를 인장 강도로 나눈 값 으로 항복 및 인장 강도를 나누어 각 인장 특성에 영 향을 미치는 미세조직 인자가 항복비에 미치는 영향에 대해 고찰해 볼 필요가 있다. 항복 강도 관점에서 홀 페 치(Hall-Petch) 관계식에 의해 페라이트 결정립 크기 미 세화는 항복 강도를 증가시킨다고 보고되고 있으며, 층 상 간격 및 시멘타이트 두께 또한 항복 강도에 영향을 준다고 보고되고 있다.17-20) 반면 인장 강도 관점에서는 일반적으로 페라이트-펄라이트 조직강에서 펄라이트 분율 이 증가할수록 가공경화를 증가시켜 인장 강도가 증가 한다고 보고되고 있다.19,20) 본 연구에서는 페라이트 결 정립 크기 미세화에 의한 항복 강도 증가가 항복비에 지 배적인 영향을 미치는 반면, 가공경화와 관계되는 펄라 이트 분율에 따른 항복비의 변화는 나타나지 않았다. 이 는 높은 등온 변태 온도에서 낮은 등온 변태 온도에 비 해 펄라이트 분율이 감소하지만, 많은 석출물들이 형성 되어 인장 강도를 증가시켰기 때문에 본 연구에서는 펄 라이트 분율에 따른 항복비의 변화는 크지 않은 것으로 생각된다.

    또한 항복비와 함께 고변형능 특성으로 중요시되는 균 일 연신율은 응력(stress) 개념인 항복비와는 다르게 변 형률(strain) 관점에서 생각할 수 있다. 변형률 관점에 서 균일 연신율은 탄성 변형 이후 소성 변형 중 네킹 (necking)이 발생하기 전까지 재료 내부의 변형이 균일 하게 일어나는 구간으로, 전위의 슬립이 시편 전체에서 균일하게 발생할 경우 높은 균일 연신율을 나타낸다고 생각할 수 있다.18) 이러한 전위의 슬립은 전위와 고용 원 자, 결정립계, 석출물 및 전위들 간의 상호작용에 의해 억제될 수 있다고 알려져 있다.17) 균일 연신율의 미세조 직 인자에 따른 변화를 살펴보면(Fig. 6), 특정 미세조 직 인자에 따른 큰 변화를 보이지 않았다. 이는 본 연 구에서 제조된 시편들의 경우 높은 등온 변태 온도에서 연한 페라이트 조직이 많이 형성되지만, 페라이트 내에 많은 석출물이 형성되면서 전위의 슬립을 억제할 수 있 다. 반면 낮은 변태 온도에서 제조된 시편의 경우 페라 이트 내에 형성된 석출물은 적지만, 높은 펄라이트 분 율과 미세한 페라이트 결정립 크기에 의해 전위의 슬립 이 억제될 수 있다. 이러한 미세조직의 변화는 독립적 으로 발생하는 것이 아니라 동시에 발생하기 때문에 특 정 미세조직 인자에 따른 균일 연신율의 변화가 나타나 지 않는 것으로 생각된다.

    5. 결 론

    본 연구에서는 페라이트-펄라이트 조직강에 대하여 망 간 및 바나듐 함량과 등온 변태 온도에 따른 6 종류의 시편을 제조한 후 미세조직 인자를 정량적으로 측정하 고, 인장 시험을 실시하여 미세조직 인자와 인장 특성 간의 상관관계를 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

    • 1) Mn 시편은 가장 높은 펄라이트 분율을 나타냈는 데, 이는 높은 망간 함량에 의해 페라이트 생성이 억제 되었기 때문이다. 반면 V 시편은 다른 시편들에 비해 낮 은 펄라이트 분율 및 미세한 페라이트 결정립 크기를 나 타냈는데, 이는 높은 바나듐 함량에 의해 형성된 많은 석출물들의 오스테나이트 결정립계 고착 효과 때문이다. 또한 높은 등온 변태 온도에서 낮은 펄라이트 분율과 조 대한 페라이트 결정립 크기, 층상 간격 및 시멘타이트 두께를 나타냈는데, 이는 펄라이트 핵생성 과냉도의 감 소 및 열적 활성화에 의한 것으로 판단된다.

    • 2) 항복 강도는 페라이트 결정립 크기가 미세하고, 석 출물의 분율이 높은 V 시편이 가장 높았으며, 인장 강 도는 펄라이트 분율이 높은 Mn 시편이 가장 높은 결 과를 나타냈다. 또한 높은 등온 변태에서 모든 시편의 인장 강도는 증가하였는데, 이는 낮은 등온 변태 온도 에 비해 많은 VC 석출물이 형성되었기 때문이다.

    • 3) 항복비 및 균일 연신율에 미치는 미세조직 인자의 영향을 분석한 결과 페라이트 결정립 크기가 감소할수 록 항복비가 증가한 반면, 균일 연신율은 특정 미세조 직 인자에 의한 영향을 보이지 않는다. 이는 항복비의 경우 결정립 미세화에 의한 항복 강도 증가가 큰 영향 을 미쳤기 때문으로 판단되며, 균일 연신율의 경우 여 러 미세조직 인자들의 복합적인 영향을 받기 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.

    Figure

    MRSK-28-570_F1.gif

    Simulated precipitation kinetics of VC for the Base, Mn and V specimens; (a) time-temperature history and the phase fraction of VC precipitates of the (b) base, (c) Mn and (d) V specimens. Calculated phase fraction was obtained by using MatCalc. The TT 550 and TT 650 indicate the isothermal transformation temperature of 550 °C and 650 °C.

    MRSK-28-570_F2.gif

    Optical micrographs of the Base, Mn and V specimens isothermally transformed at 550 °C and 650 °C. Microstructure in longditudinal-short-transverse plane of the steel specimens was observed.

    MRSK-28-570_F3.gif

    SEM micrographs showing interlamellar spacing of pearlite in the Base, Mn and V specimens isothermally transformed at 550 °C and 650 °C.

    MRSK-28-570_F4.gif

    Engineering stress-strain curves of the Base, Mn and V specimens isothermally transformed at (a) 550 °C and (b) 650 °C. Enlarged engineering stress-strain curves of the yielding behavior in the specimens isothermally transformed at (c) 550 °C and (d) 650 °C represented by black dashed boxes in figure (a) and (b).

    MRSK-28-570_F5.gif

    Effect of the (a) pearlite volume fraction, (b) ferrite grain size, (c) interlamellar spacing and (d) cementite thickness on yield ratio in ferrite-pearlite steel specimens isothermally transformed at 550 °C and 650 °C. The TT 550 and TT 650 indicate the isothermal transformation temperature of 550 °C and 650 °C.

    MRSK-28-570_F6.gif

    Effect of the (a) pearlite volume fraction, (b) ferrite grain size, (c) interlamellar spacing and (d) cementite thickness on uniform elongation in ferrite-pearlite steel specimens isothermally transformed at 550 °C and 650 °C. The TT 550 and TT 650 indicate the isothermal transformation temperature of 550 °C and 650 °C.

    Table

    Microstructural factors of the ferrite-pearlite steel specimens isothermally transformed at the temperature of 550 °C and 650 °C.

    Tensile properties of the ferrite-pearlite steel specimens isothermally transformed at the temperature of 550 °C and 650 °C.

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