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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.29 No.4 pp.211-220
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2019.29.4.211

Effect of Chemical Compositions on Microstructure and Mechanical Properties of Base Metal and HAZ of Bainitic Steel Plates

Sung Kyu Cho1, Hyung Goun Joo1, Sang Yong Shin2
1Technical Research Center, Hyundai Steel Company, Dangjin, 31719, South Korea
2School of Materials Science and Engineering, University of Ulsan, Ulsan, 44610, Republic of Korea
Corresponding author E-Mail : sshin@ulsan.ac.kr (S. Y. Shin, Ulsan Univ.)
February 12, 2019 March 12, 2019 March 12, 2019

Abstract


In this study, three kinds of bainitic steel plates are manufactured by varying the chemical compositions and their microstructures are analyzed. Tensile and Charpy impact tests are performed at room and low temperature to investigate the correlation between microstructure and mechanical properties. In addition, heat affected zone (HAZ) specimens are fabricated by a simulation of welding processes, and the HAZ microstructure is analyzed. The base steel that has the lowest carbon equivalent has the highest volume fraction of acicular ferrite and the lowest volume fraction of secondary phases, so the strength is the lowest and the elongation is the highest. The Mo steel has a higher volume fraction of granular bainite and more secondary phases than the base steel, so the strength is high and the elongation is low. The CrNi steel has the highest volume fraction of the secondary phases, so the strength is the highest and elongation is the lowest. The tensile properties of the steels, namely, strength and elongation, have a linear correlation with the volume fraction of secondary phases. The Mo steel has the lowest Charpy impact energy at -80 °C because of coarse granular bainite. In the Base-HAZ and Mo-HAZ specimens, the hardness increases as the volume fraction of martensite-austenite constituents increases. In the CrNi-HAZ specimen, however, hardness increases as the volume fraction of martensite and bainitic ferrite increases.



베이나이트계 후판강의 모재 및 열영향부의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 화학 조성의 영향

조 성규1, 주 형건1, 신 상용2
1현대제철 기술연구소
2울산대학교 첨단소재공학부

초록


    © 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.

    서 론

    고강도 고인성을 갖는 후판강은 대형 구조물의 건설에 주로 사용되는 철강재료로서, 최근에는 극지방이나 심해 저와 같은 곳에서 해양플랜트의 건설에 사용되기 위해 서 기존보다 더욱 우수한 저온 인성을 가져야 한다. 이 러한 후판강은 고강도와 고인성을 갖기 위해서 주로 베 이나이트계 조직이 이용된다.1-3) 하지만, 후판강은 두께 가 두꺼워서 제조 공정에서 냉각 속도의 한계로 인해서 주로 다양한 합금원소를 첨가하여 베이나이트계 조직을 얻고, 강도와 저온 인성을 향상시키고자 주로 연구되고 있다.4-14) 비록 베이나이트계 후판강의 모재가 우수한 물 성을 가지더라도 용접의 과정을 거치면서 형성된 열영 향부는 미세조직과 기계적 특성이 또 바뀌게 된다.7-12)

    후판강의 용접 전후 미세조직과 물성의 변화에 미치는 다양한 합금원소에 대한 연구는 주로 탄소당량에 따라 이루어지고 있으며, 탄소당량이 높을수록 저온변태조직인 마르텐사이트나 베이나이트의 형성이 유리하다.13-19) 열영 향부의 저온 인성 향상을 위해서 많이 활용되는 원소인 Ni은 오스테나이트 안정화 원소로서, 페라이트의 상변태 를 지연시켜 저온변태조직의 형성을 유도하며, 저온변태 조직의 결정립을 미세하게 형성하는데 도움을 준다.20) 강 도의 향상을 위해서 사용되는 Mo과 Cr은 고용강화 및 저온변태조직 형성을 돕는 원소이고, 합금량을 최적화함 으로서 베이나이트계 미세조직을 치밀화 시킨다고 알려 져 있다.3,21,22) 이러한 베이나이트계 후판강의 모재 및 열 영향부의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 화학 조성 의 영향이 정성적으로는 알려져 있으나, 최근 개발되는 다양한 화학 조성 및 제조 공정을 갖는 베이나이트계 후 판강의 물성 향상을 위해서 더욱 정량적인 결과를 바탕 으로 한 미세조직과 기계적 특성의 상관관계 분석이 더 많이 요구된다.

    따라서, 본 연구에서는 화학 조성을 달리한 3종류의 베 이나이트계 후판강을 제조하고 이들의 미세조직을 분석 하였다. 그리고 상온에서 인장 시험을 실시하고, 저온에 서 샤르피 충격 시험을 실시하여 모재의 미세조직과 기 계적 특성의 상관관계를 규명하였다. 또한 용접공정모사 를 통해 열영향부 시편을 제조하고, 그 미세조직을 분 석하였다. 이상의 결과로부터 베이나이트강의 모재와 열 영향부의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 화학 조성 의 영향을 규명하고자 하였다.

    2. 실험 방법

    2.1 베이나이트계 후판강의 제조 및 열영향부 모사

    본 연구에서 사용된 강의 화학 조성과 제조공정을 Table 1과 Table 2에 나타내었다. Mo, Cr, Ni을 제외한 다른 화학 조성의 함량은 거의 동일하며, Base 강은 탄 소당량이 0.40 %으로 가장 낮고, Mo, Cr, Ni의 함량도 가장 낮다. Mo 강은 탄소당량이 0.41 %이고, Base 강에 비해 Mo의 함량을 0.05 wt%로 증가시켜 Mo의 영향을 알아보고자 하였다. CrNi 강은 탄소당량이 0.44 %로 가 장 높고, Mo 강에 비해 Mo의 함량은 감소시키고, Cr 과 Ni을 2배 증가시켜 Ni과 Cr의 영향을 알아보고자 하 였다. 모든 강은 1,000~1,200 ºC에서 오스테나이트화 열 처리를 2시간 동안 진행하였다. 이후 공냉을 하면서 압 연 공정을 거치게 되는데, 이 때 조압연/사상압연 횟수 를 각각 4회씩 실시하였고, 최종 판재 두께는 50 mm이 다. 마무리 압연 후 두께 중심을 기준으로 10~15 ºC/s의 속도로 수냉하여 400~450 ºC까지 수랭하고, 이후 공랭하 여 베이나이트강을 제조하였다.

    열영향부를 모사하기 위해서 Fig. 1의 열 사이클을 적용 하여 MTCS 장비(thermorestor-W, Fuji Electronic Industrial Co., Tokyo, Japan)로 CGHAZ(coarse-grain heat affected zone)조직을 구현하였다. Fig. 1의 열 사이클로 적용된 입 열량은 각각 7과 13 kJ/cm로 계산되었으며, 이는 해양플 랜트용 철강의 용접에 주로 사용되는 플럭스 코어드 아 크 용접(FCAW, flux cored arc welding)조건과 서브머 지드 아크 용접(SAW, submerged arc welding)조건을 모 사한 것이다. 열영향부 모사 시편은 강재명 뒤에 입열 량인 ‘7’ 또는 ‘13’을 붙여서 표시하였다.

    2.2 미세조직 분석 및 기계적 특성 평가

    미세조직 분석을 위하여 철강의 두께 1/4 지점에서 조 직 관찰용 시편을 채취하였다. 모든 시편의 압연 롤이 닿는 면(longitudinal-transvers plane)을 2,000 grit의 사포 로 연마 후, 1 μm 다이아몬드 서스펜션으로 미세 연마 하였다. 이후 나이탈 용액(에탄올+질산)과 Le Pera 용액 으로 에칭하여, 광학 현미경 및 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope)을 사용하여 조직을 관찰 하였다.

    철강의 기계적 특성을 평가하기 위하여 경도 시험, 인 장 시험, 샤르피 충격 시험을 진행하였다. 경도 측정은 비커스 경도기를 사용하였고, 하중은 500 g, 하중 유지 시 간은 10s로 설정하였다. 인장 시편은 강재의 두께 1/4의 위치에서 압연 방향에 수직한 방향(transverse direction) 으로 채취하였으며, 지름 50 mm, 표점 거리 200 mm 의 봉상 시편으로 가공하였다. 해양플랜트의 건설에 사 용되는 후판강의 경우, 선급 규정에서 후판강의 압연 방 향에 수직한 방향(transverse direction)으로 인장 시편 을 채취하고 인장 시험하도록 권고하고 있다. 인장 시 험은 만능시험기를 사용하여 10−3/s의 변형 속도로 상 온에서 실시하였다. 샤르피 충격 시험에 사용된 시편도 강재의 두께 1/4의 위치에서 크기는 10×10×55 mm로 채취하였으며, 시편과 V-노치의 방향은 각각 압연 방향 에 수직한 방향(transverse direction)과 압연 방향에 평 행한 방향(longitudinal direction)이다. 모재는 -20 ~ -80 ºC에서 ASTM E23에 따라 샤르피 충격 시험을 실시 하였다.

    3. 실험 결과

    3.1. 모재 조직과 기계적 특성

    Fig. 2에 모재의 미세조직을 광학현미경으로 관찰하여 나타내었다. 베이나이트계조직은 형태학적 특징으로 구분 하였다.23-25) 모든 강은 침상형 페라이트(acicular ferrite, AF)가 주 조직을 이루고 있으며, 입상형 베이나이트 (granular bainite, GB)가 함께 관찰된다. AF는 다각형 페라이트 보다 빠른 냉각속도에서 형성되고, 결정립의 크 기가 수 μm 정도이고, 결정립계에 미세한 크기의 경질 상이 분포하여, 강도와 저온 인성이 우수한 조직이다.23-25) GB는 준다각형 페라이트 보다 빠른 냉각속도에서 형성 되는 조직으로 고경각 결정립계로 결정립을 구분한 패 킷(packet)이 크고, 패킷 내부에 미세한 복합탄화물, 잔류 오스테나이트, M-A(martensite-austenite constituents) 등 과 같은 경질의 이차상이 혼재되어 있는 조직이다.23-25) 냉각 공정 시 오스테나이트가 페라이트로 변태되면서 주 변으로 원소가 이동하는데, 이 때 다량의 원소가 고용되 어 오스테나이트가 페라이트로 변태되지 못하고 남은 조 직이 M-A가 된다. 이러한 M-A는 높은 농도로 원소가 고 용되어 있고, 결정이 뒤틀리며 높은 전위 밀도를 가지고 있어서 경질상으로 구분된다. 하지만, M-A는 마르텐사이 트와 오스테나이트의 결정 구조가 복합적으로 나타나기에 마르텐사이트나 오스테나이트 단상과는 다르다.23-25) Fig. 2의 고배율 광학 현미경 사진에서 이차상은 그 크기가 1 μm 정도이고 형상도 구형으로, 모든 강에서 비슷한 크 기와 형상을 갖는다. 하지만, 이차상 분율은 강재에 따 라 차이가 있다.

    탄소당량이 가장 낮고 합금 원소도 가장 적은 Base 강 에는 AF와 GB의 분율이 각각 90 %와 10 % 정도 분포 한다 AF의 결정립 크기는 5~10 μm로 매우 미세하며, GB의 결정립 크기는 20 μm 정도로 크다. 결정립계에는 탄화물 또는 M-A 등 경질의 이차상이 4.0 % 분율로 고 르게 분포하며, 그 크기는 1 μm 이하로 매우 미세하다. Mo 강에는 AF와 GB의 분율이 각각 80 %와 20 % 정 도 분포한다 AF의 결정립 크기는 5~10 μm로 매우 미 세하며, GB의 결정립 크기는 30~50 μm로 매우 조대하 다. 결정립계에 존재하는 이차상은 1 μm 이하의 크기로 매우 미세하고 고르게 분포하지만, GB 내부의 이차상은 이보다 크다. Mo 강에 존재하는 이차상의 분율은 4.8 % 이다. 탄소당량이 가장 높고 합금 원소도 가장 많은 CrNi 강에는 AF와 GB의 분율이 각각 90 %와 10 % 정 도 분포한다 AF의 결정립 크기는 5~10 μm 로 매우 미 세하며, GB의 결정립 크기는 20 μm 정도이다. 전반적으 로 이차상이 고르게 분포하며 그 분율은 5.7 %이고, 그 크기는 Base 강에 비해 조금 더 크다.

    Table 3에 상온에서 시험한 인장 특성을 나타내었다. 해양플랜트용 강재는 항복 강도를 기준으로 등급이 나 뉘며, Base 강은 460 MPa급, 나머지 강은 500 MPa급 해양플랜트용 강재로 적용이 가능한 항복강도 조건을 만 족한다. Base 강의 항복강도와 인장강도는 가장 낮고, 연 신율은 가장 높다. CrNi 강의 항복강도와 인장강도는 가 장 높고, 연신율은 가장 낮다. 항복비(=항복강도/인장강 도)는 모든 강에서 83~85 %로 비슷하다.

    Table 4에 저온에서 시험한 샤르피 충격 특성을 나타 내고, Fig. 3에 그 결과를 그래프로 나타내었다. -20 ºC 에서 세 강의 샤르피 충격 에너지는 296~311 J로 비슷 한 수준이다. 하지만 Mo 강의 샤르피 충격 에너지는 편 차가 55J로 가장 크다. 저온으로 갈수록 샤르피 충격 에 너지는 감소한다. Base 강은 온도가 감소할수록 샤르피 충격 에너지가 크게 감소하지 않는 반면, Mo와 CrNi 강 의 샤르피 충격 에너지는 온도가 감소할수록 크게 감소 한다. 그리고 샤르피 충격 에너지의 편차가 커지는데, -60 ºC 이하에서는 그 편차가 100 J 이상으로 크며, 이 온도 구간에서 연성-취성 천이(ductile-brittle transition)가 일어나며 파괴기구가 바뀌는 것으로 판단된다.

    3.2 열영향부 조직과 경도

    열영향부 모사 시편의 미세조직은 마르텐사이트(marten-site, M), 베이나이트계 페라이트(bainitic ferrite, BF), AF, GB로 구성되어 있다. M는 가장 빠른 냉각속도에서 형 성되며, 구 오스테나이트에서 특정 방향으로 생성된다. M는 전위밀도 및 쌍정 밀도가 높아 강도는 높으나 인 성이 매우 낮다. BF는 AF보다 더 빠른 냉각속도에서 형성되며, 결정립의 크기는 수십 μm 정도이며, 경질상 이 래스(lath)형태를 띄고 있어 강도는 우수하나 인성은 AF에 비해 낮다. 특히, 경질상이 분포하는 BF는 패킷 의 크기가 클 경우, 저온 인성이 매우 낮다고 알려져 있다.26,27)

    Fig. 45에 열영향부 모사 시편의 미세조직을 광학 현미경으로 관찰하여 나타내고, Table 5에 각 미세조직 의 분율과 비커스 경도를 측정하여 나타내었다. Table 5 에서 M-A 분율은 Fig. 5의 Le Pera 에칭으로 나타난 사진을 이미지 분석 프로그램으로 분석하여 측정하였다. 광학 현미경 사진에서는 색깔의 구분으로 쉽게 흰색의 M-A 상을 구분할 수 있으며, 이를 통해 각 시편의 MA 상의 크기, 형상, 분율을 측정하였다. 나머지 조직의 분율은 Fig. 4의 나이탈 에칭한 사진을 이미지 분석 프 로그램으로 분석하여 측정하였다. 용접 모사 시 입열량 이 증가할수록 냉각속도는 느려지므로, 입열량이 13 kJ/ cm인 시편들은 7 kJ/cm인 시편들에 비해 M와 BF의 분 율이 감소하고, AF와 GB 분율이 증가한다. 이는 냉각 속도가 느릴수록 GB, AF, BF, M 의 순서로 미세조직 이 우선적으로 형성되기 때문이다. Base7과 Base13 시 편은 주로 BF로 구성되어 있으며, AF의 분율이 나머지 시편에 비해 높다. M-A 분율은 3.2~4.8 %이고, 비커스 경도는 264~266 Hv로 나머지 시편들에 비해 낮다. Mo7 과 Mo13 시편도 주로 BF로 구성되어 있으며, GB의 분 율이 다른 시편들에 비해 높다. M-A 분율은 3.7~6.4 % 이고, 비커스 경도는 276~284 Hv로 다른 시편들에 비해 높다. 주조직이 BF임에도 불구하고 M-A의 분율이 가장 높은 Mo7 시편은 경도가 가장 높았다. CrNi7과 CrNi13 시편은 M와 BF로 대부분 구성되어 있으며, AF가 일부 관찰된다. M-A 분율은 2.6~4.2 %이고, 비커스 경도는 268~276 Hv이다.

    4. 결과 고찰

    4.1 베이나이트계 후판강의 조직과 기계적 특성에 미 치는 화학 조성의 영향

    탄소당량의 증가는 저온변태조직의 형성을 유도하여 베 이나이트나 마르텐사이트의 분율을 증가시킨다.15-19) 그리 고 오스테나이트 안정화 원소인 Ni의 증가는 페라이트 의 상변태를 지연시켜 저온변태조직의 형성을 유도한다.20) 따라서 본 연구에서도 탄소당량이 0.44 %로 가장 높은 CrNi 강에서 가장 많은 5.7 %의 이차상이 관찰되었고, 이 차상의 크기도 다른 강들에 비해 크다. Cr은 저온변태 조직의 결정립을 미세화시키거나 전체 조직을 치밀화시 킨다고 알려져 있다.3) 이러한 이유 때문에 CrNi 강에서 관찰되는 GB는 Mo 강의 GB에 비해 결정립의 크기가 작다. Mo은 경화능 원소로서, 탄소의 확산을 억제시키 고 오스테나이트 내 탄소 영역을 확대시켜서 저온변태 조직의 형성을 유도하여 GB나 M-A 형성에 유리하며, 결 정립 미세화 효과도 있다고 알려져 있다.21,22) 따라서 Mo 강에서는 다른 강들에 비해 조대한 결정립을 갖는 GB 가 상대적으로 많이 형성되었다. 즉, 탄소당량이 가장 낮 은 Base 강에서는 가장 낮은 분율의 GB와 이차상이 형 성되었다. Mo 강에서는 GB의 분율과 크기가 Base 강 에 비해 증가하였고, 이차상의 분율도 약간 증가하였다. CrNi 강은 탄소당량이 가장 높지만, Cr의 결정립 미세 화 효과로 인해 GB의 크기가 Mo 강에 비해 작고 그 분율도 감소하지만, 저온변태상이 형성되지 못한 영역에 서는 이차상이 크고 높은 분율로 형성되었다.

    이러한 화학 조성의 변화에 따른 미세조직의 차이는 기 계적 특성에 영향을 미치게 된다. Fig. 6에 이차상의 분 율에 따른 강도 및 연신율의 상관관계를 그래프로 나타 내었다. 이차상의 분율이 가장 높은 CrNi강에서 가장 강 도가 높고 연신율이 가장 낮다. 반면, GB와 이차상 분 율이 가장 낮은 Base 강의 강도는 가장 낮고, 연신율은 가장 높다. Mo 강의 이차상 분율은 Base 강보다 높고 CrNi 강보다 낮지만, 50 μm 정도의 조대한 결정립을 갖 는 GB의 분율이 20 %로 높기 때문에 강도와 연신율이 직선적인 경향성에 비해 조금씩 벗어나 있다. 즉, 강도 는 조금 더 높지만, 연신율은 매우 낮다. 이는 저온변 태조직인 GB의 15o 이상의 고경각 결정립계로 구분한 유효결정립(effective grain)이 수십~수백 μm로 조대하여, 강도의 증가보다 연신율의 감소에 더 크게 작용하였기 때문이다.26,27)

    -20 ºC 샤르피 충격 에너지는 모든 강에서 296~311 J 로 비슷한 수준이다. 하지만 Mo 강의 -20 ºC 샤르피 충 격 에너지는 그 편차가 55 J로 다른 강들에 비해 큰데, 이는 50 μm 정도의 조대한 결정립을 갖는 GB의 분율 이 20 %로 다른 강들에 비해 높기 때문이다. 이렇게 유 효결정립이 큰 조직을 갖는 철강에서는 취성 파괴가 발 생할 때 단위균열길이(unit crack path)도 유효결정립크기 와 같이 증가하게 되고, 이로인해 파괴전파 에너지도 낮 다고 알려져 있다.26,27) 모든 강들에서 샤르피 충격 에너 지는 시험온도가 감소함에 따라 감소하며, 이는 연성파 괴에서 취성파괴로 파괴 기구가 바뀌기 때문이다. Base 강은 조직이 주로 AF로 형성되어 있고, 이차상의 분율 도 낮아서 샤르피 충격 에너지가 시험 온도가 감소함에 따라 조금씩 감소하고, 그 편차도 작았다. 반면, 다른 두 강은 샤르피 충격 에너지가 시험 온도가 감소함에 따라 크게 감소하고, 그 편차도 컸다(Fig. 3). Fig. 7에 이차 상의 분율에 따른 -60과 -80 ºC 샤르피 충격 에너지의 상관관계를 그래프로 나타내었다. 저온에서의 샤르피 충 격 에너지는 이차상 분율이 증가할수록 감소하였고, 그 편차도 매우 커졌다. 특히, Mo 강은 Base 강에 비해 이 차상 분율은 0.7 % 많지만, 샤르피 충격 에너지의 편차 는 매우 컸다. 이는 Mo 강에 조대한 결정립의 GB 분 율이 20 %로 높기 때문에 저온 취성 파괴 시 샤르피 충 격 에너지도 크게 감소하기 때문이다.

    4.2 열영향부 조직 형성에 미치는 화학 조성의 영향

    화학 조성에 따라 형성되는 모재의 미세조직이 다르기 때문에 열영향부 모사 시편의 미세조직도 달라진다. 가 장 낮은 탄소당량을 갖는 Base 강의 경우, HAZ 조직 은 주로 BF나 AF로 구성되어 있고, 일부 GB가 관찰되 며 작은 크기의 M-A가 고르게 분포한다. 입열량의 증 가는 냉각 속도가 감소하는 것이므로, Base7 시편보다 Base13 시편에서 BF의 분율이 적고 GB의 분율이 높다. Mo 강의 HAZ 조직도 Base 강의 HAZ 조직과 마찬가 지로 BF나 AF로 구성되어 있지만, GB의 분율이 높고 M-A의 크기와 분율이 높다. 이는 경화능 원소인 Mo의 증가로 저온변태조직의 형성이 유리하기 때문이며, 모재 조직에서 존재하던 조대한 GB가 HAZ 조직에서도 조대 한 크기의 GB로 형성되기 쉬웠기 때문이다.21,22) 가장 높 은 탄소당량을 갖는 CrNi 강의 경우, HAZ 조직은 M 가 많이 형성되어 있다. 하지만 Cr과 Ni이 각각 페라이 트 형성과 HAZ 조직 미세화를 유도하면서,3,21,22) BF와 M가 함께 형성되어 매우 치밀하고 복잡한 형태의 HAZ 조직이 관찰된다. 높은 탄소당량임에도 불구하고 M가 다 량 형성되었기 때문에 M-A 분율은 오히려 다른 강들에 비해 낮았다.

    HAZ 시편의 M-A 분율에 따른 경도의 변화를 Fig. 8 에 그래프로 나타내었다. 각 시편의 주 조직과 M-A의 크기가 다르기 때문에 3가지 군으로 묶어서 경향성을 나 타낼 수 있다. Base-HAZ 시편은 주 조직이 BF와 AF이 고, M-A의 크기가 작고 고르기 때문에 전체적으로 낮 는 경도를 갖는다. 반면, Mo-HAZ 시편은 주 조직은 BF 와 AF로 Base-HAZ 시편과 비슷하나, M-A 크기가 더 크기 때문에 더 높은 경도를 갖는다. 두 종류의 HAZ 시편들은 모두 M-A 분율이 증가할수록 경도가 증가한 다. CrNi-HAZ 시편은 주조직인 M+BF이기 때문에 MA분율이 낮음에도 불구하고 높은 경도를 가진다. 또한 M-A 분율이 증가하여도 M+BF 분율이 더 높은 HAZ 시편에서 더 높은 경도를 갖는다. 결과적으로 주 조직 이 BF와 AF인 HAZ 시편의 경우에는 M-A 분율이 높 고 그 크기가 클수록 경도가 증가한다. 하지만, 주 조 직이 M+BF인 HAZ 시편의 경우에는 M-A 분율보다 M+BF 분율이 경도에 더 큰 영향을 주며, M+BF 분율 이 증가할수록 경도가 증가하였다.

    5. 결 론

    • 1) 탄소당량이 가장 낮은 Base 강은 AF 분율이 90 % 로 높고, 이차상의 분율은 4.0 %로 가장 낮아서 강도는 가장 낮지만, 연신율은 가장 높았다. Mo 강은 Base 강 에 비해 50 μm 이상의 조대한 결정립을 갖는 GB 분율 과 이차상 분율이 더 높아서 강도는 높지만, 연신율은 낮았다. CrNi 강은 이차상 분율이 5.7 %로 가장 높아서 강도는 가장 높지만 연신율은 가장 낮았다. 모재의 강 도와 연신율은 이차상 분율과 직선적으로 증가 또는 감 소하는 상관관계를 가졌다.

    • 2) 모재의 -20 ºC 샤르피 충격 에너지는 300 J 정도로 비슷하지만, 저온으로 갈수록 샤르피 충격 에너지의 감 소폭은 강재에 따라 다르다. 조대한 GB 분율이 가장 높 은 Mo 강과 이차상의 분율이 가장 높은 CrNi 강의 샤 르피 충격 에너지는 Base 강에 비해 더 크게 감소하였 다. 특히 -80 ºC에서는 조대한 GB를 갖는 Mo 강의 샤 르피 충격 에너지가 가장 낮고 편차도 크다.

    • 3) HAZ 시편의 주 조직이 BF인 경우, Mo-HAZ 시편 이 Base-HAZ 시편보다 M-A 분율이 높고 M-A 크기가 커서 경도가 높았다. 하지만, 탄소당량이 가장 높은 CrNi- HAZ 시편은 주 조직이 M+BF였으며, 이 때는 M-A 분 율 보다는 M+BF의 분율이 높을수록 경도가 높았다.

    Acknowledgement

    This work was supported by Korea Evolution Institute of Industrial Technology (KEIT) grant funded by the Korea government (MOTIE) (No. 10063532, Development of steel application technologies against ice-induced crashworthiness and artic temperature high toughness).

    Figure

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    Schematic diagram of weld thermal cycles of the steels

    MRSK-29-4-211_F2.gif

    Optical microstructures of the (a) Base, (b) Mo, and (c) CrNi steels.

    MRSK-29-4-211_F3.gif

    Charpy impact energy as a function of temperature of the (a) Base, (b) Mo, and (c) CrNi steels.

    MRSK-29-4-211_F4.gif

    Optical microstructures of the (a) Base7, (b) Base13, (c) Mo7, (d) Mo13, (e) CrNi7, and (f) CrNi13 HAZ specimens, nital etched.

    MRSK-29-4-211_F5.gif

    Optical microstructures of the (a) Base7, (b) Base13, (c) Mo7, (d) Mo13, (e) CrNi7, and (f) CrNi13 HAZ specimens, Le Pera etched.

    MRSK-29-4-211_F6.gif

    Correlation between volume fraction of secondary phases and (a) strength, and (b) elongation of the steels.

    MRSK-29-4-211_F7.gif

    Correlation between volume fraction of secondary phases and Charpy impact energy of the steels.

    MRSK-29-4-211_F8.gif

    Correlation between volume fraction of M-A and Vickers hardness of the HAZ specimens.

    Table

    Chemical compositions of the steels.

    Rolling and cooling conditions of the steels.

    Tensile properties of the steels.

    Charpy impact properties of the steels.

    Volume fractions of microstructures and Vickers hardness of the HAZ specimens.

    Reference

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