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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.29 No.6 pp.349-355
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2019.29.6.349

Microstructure and Mechanical Properties of 600 MPa-Grade Seismic Resistant Reinforced Steel Bars Fabricated by a Pilot Plant

Tae-Woon Hong, Byoungchul Hwang†
Department of Materials Science and Engineering, Seoul National University of Science and Technology, Seoul 01811, Republic of Korea
Corresponding author E-Mail : bhwang@seoultech.ac.kr (B. Hwang, SEOULTECH)
March 11, 2019 May 14, 2019 May 23, 2019

Abstract


This study deals with the microstructure and tensile properties of 600 MPa-grade seismic reinforced steel bars fabricated by a pilot plant. The steel bar specimens are composed of a fully ferrite-pearlite structure because they were air-cooled after hot-rolling. The volume fraction and interlamellar spacing of the pearlite and the ferrite grain size decrease from the center region to the surface region because the surface region is more rapidly cooled than the center region. The A steel bar specimenwith a relatively high carbon content generally has a higher pearlite volume fraction and interlamellar spacing of pearlite and a finer ferrite grain size because increasing the carbon content promotes the formation of pearlite. As a result, the A steel bar specimen has a higher hardness than the B steel bar in all the regions. The hardness shows a tendency to decrease from the center region to the surface region due to the decreased pearlite volume fraction. On the other hand, the tensile-to-yield strength ratio and the tensile strength of the A steel bar specimen are higher than those of the B steel bar with a relatively low carbon content because a higher pearlite volume fraction enhances work hardening. In addition, the B steel bar specimen has higher uniform and total elongations because a lower pearlite volume fraction facilitates plastic deformation caused by dislocation slip.



Pilot Plant를 이용한 600 MPa급 내진용 철근들의 제조, 미세조직과 기계적 특성 비교

홍 태운, 황 병철†
서울과학기술대학교 신소재공학과

초록


    Ministry of Trade, Industry and Energy
    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

    최근 몇 년간 국내를 비롯해 세계 곳곳에서 빈번하게 발생하고 있는 지진으로 인해 많은 인명 및 물질적 피 해가 지속적으로 증가하면서 건축물의 안전에 대한 중 요성이 커지고 있다. 이에 따라 내진(seismic resistant) 설계 의무화에 대한 법규가 강화되고, 건축물의 구조재 에 대한 규격도 개정되고 있다.1-3) 특히 건축물의 구조 재로 많이 사용되는 내진 철근의 경우 일반 철근 보다 항복 강도, 항복 강도 대비 인장 강도(tensile to yield ratio, 이하 항복비) 및 균일 연신율(uniform elonagion)이 높아 적은 양으로 더 큰 하중을 견딜 수 있을 뿐만 아 니라 항복 이후 소성 변형 중에 보다 많은 외부 에너지 를 흡수함으로써 건축물의 안전성을 향상시킬 수 있다.1-6)

    일반적으로 철근의 내진 성능은 재료의 항복비 및 균 일 연신율 등으로 평가된다. 이들 인자는 재료의 화학 조성 및 제조 방법에 따른 미세조직에 크게 의존하는 데, 강도와 함께 내진 성능을 향상시키기 위해 합금원 소 첨가 또는 다양한 제조 공정 방법이 적용된다.6-8) 특 히 합금원소 첨가에 의한 고용 및 석출 강화를 많이 활 용하고 있는데, 탄소(C)의 경우 강도를 효과적으로 증가 시키지만, 연성을 감소시켜 조기 파단의 원인을 제공할 수 있다. 바나듐(V)의 경우 석출 강화에 효과적인 합금 원소로 탄소 및 질소(N)와 결합하여 탄화물 및 질화물 을 형성함으로써 강도와 내진 성능을 동시에 향상시킬 수 있다. 그러나 과도한 합금원소 첨가는 자재 단가 상 승의 문제점과 제조 시 용접 결함 발생을 유발하기 때 문에 탄소 당량(carbon equivalent, Ceq)으로 합금원소 함 량을 일정 수치 이하로 제한하고 있다.1)

    본 연구에서는 pilot plant를 이용하여 600 MPa급 두 내진용 철근을 제조한 후 미세조직, 경도 및 인장 특성 을 비교하고, 이들의 미세조직과 기계적 특성의 상관관 계를 이해하여 향후 항복 강도 700 MPa급 이상의 초고 강도 내진 철근 개발에 활용하고자 하였다.

    2. 실험 방법

    본 연구에서 사용된 두 철근의 자세한 화학 조성을 Table 1에 나타내었으며, 편의상 ‘A 철근’ 및 ‘B 철근’ 으로 표기하였다. 철근들의 탄소 당량(Ceq)은 항복 강도 600 MPa급 내진 철근에 관한 대한민국 철근 표준규격 을 만족하였다. 두 성분의 철근에 대한 pilot plant 제조 를 위하여 진공 용해 및 화학 분석을 거쳐 잉곳(ingot) 을 제조한 후 빌렛(billet)에 용접하였고, 이를 900 ºC 이 상에서 열간 압연한 후 공냉 공정을 통해 제조되었다. Fig. 1에 철근 제조에 사용된 잉곳과 빌렛의 제조 및 용 접 과정을 나타내었다.

    제조된 두 철근의 미세조직은 시편의 단면을 기계적으 로 연마한 후 3 % 나이탈 용액으로 에칭하여 광학현미경 및 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope, AIS1800C, SERON, Korea)을 사용하여 관찰하였다. 페 라이트 및 펄라이트 분율은 영상 분석기(image analyzer) 를 이용하여 측정하였고, 페라이트 결정립 크기는 ASTM E 112 표준 시험법의 원형 교차 방법(circular intercept procedures)을 통해 측정하였다.9)

    한편 항복 강도 600 MPa급 두 내진용 철근의 인장 특 성을 평가하기 위해 본 연구에서는 표준 철근 인장 시 편 규격(KS B0801)에 따라 별도의 기계적 가공없이 표 점 거리를 각 철근 지름의 8배, 물림 간격을 표점 거리 에 지름의 2배를 더한 길이를 철근에 표시한 후 100톤 용량의 만능재료시험기를 이용하여 표준 철근 인장 시 험 규격(KS B0802)에 따라 항복점까지의 응력증가율 11.5 N/mm2·s, 항복점 이후의 변형증가율 50 %/min으로 상온에서 각 철근마다 3번의 인장 시험을 실시하였다. 인 장 시험에 따른 응력-변형률 곡선으로부터 얻은 항복 강 도는 불연속 항복 거동을 보인 경우 상부 항복점을 항 복 강도로 하고, 연속 항복 거동을 보인 경우 0.2 % 상 쇄한 유동응력을 항복 강도로 규정하였다.1) 또한 인장 강 도, 균일 연신율 및 총 연신율(total elongation)을 측정 하여 미세조직과 인장 특성의 상관관계를 고찰하였다.

    3. 실험 결과 및 고찰

    3.1 미세조직

    본 연구에서 사용된 철근 단면의 중심부(center region), 표면에서 1 mm 이내 표면부(surface region) 및 중심부 와 표면부의 가운데인 중간부(middle region)의 미세조직 을 광학현미경 및 주사전자현미경을 통해 관찰한 결과 를 각각 Fig. 2와 Fig. 3에 나타냈다. A와 B 철근 모두 페라이트-펄라이트 조직이 형성되었는데, 이는 pilot plant 를 이용한 제조 공정 중 빌렛을 열간 압연한 후 공냉 을 통해 느린 냉각 속도로 제조되었기 때문이다. 광학 현미경 및 주사전자현미경 사진들로부터 위치별 미세조 직의 변화를 정량적으로 측정하여 그 결과를 Fig. 4에 나타냈다.

    먼저 위치별 미세조직적 인자의 변화를 살펴보면(Fig. 4), A 및 B 철근 모두 중심부에서 표면부로 갈수록 펄 라이트 분율, 페라이트 결정립 크기 및 층상 간격이 감 소하는 경향을 나타내었다. 이는 펄라이트 분율 및 페 라이트 결정립 크기의 경우 열간 압연 시 표면부가 중 심부보다 상대적으로 많은 변형을 받아 미세해진 오스 테나이트 결정립계가 페라이트 핵색성 장소로 작용되면 서 페라이트 핵생성이 활발하게 일어났기 때문이다. 또 한 페라이트 결정립 크기의 경우에는 냉각 시 표면부가 중심부보다 상대적으로 빠르게 냉각되어 결정립 성장이 억제되었기 때문이다. 층상 간격의 경우에는 표면부가 중 심부보다 상대적으로 빠르게 냉각되면서 펄라이트 성장 이 억제되어 층상간격이 작았다.6,10)

    두 철근의 미세조직적 인자를 보다 상세히 비교해보면 (Fig. 4), 페라이트 결정립 크기를 제외한 펄라이트 분율 및 층상 간격의 경우 모든 위치에서 대체로 A 철근이 B 철근보다 비교적 높은 값을 나타냈다. 일반적으로 탄 소 함량이 증가할수록 페라이트 변태는 억제되지만, 상 대적으로 펄라이트 변태를 촉진시키며, 바나듐은 석출 물의 형성을 통해 오스테나이트 결정립 크기를 미세화 시킴으로써 페라이트 핵생성을 촉진시킨다고 알려져 있 다.11-13) A 철근의 경우 B 철근에 비해 높은 탄소 함량 으로 인해 높은 펄라이트 분율과 조대한 층상 간격을 나 타내는 것으로 판단된다. 페라이트 결정립 크기의 경우 비교적 높은 바나듐 함량을 가진 B 철근이 미세한 페라 이트 결정립 크기를 나타낼 것으로 예상했으나 그렇지 않았다. 이는 A 및 B 철근이 각각 0.16 및 0.19 wt%의 높은 바나듐 함량을 가지고 있어, 비교적 적은 차이를 가지기 때문에 탄소 함량의 영향이 페라이트 결정립 크 기에 더 큰 영향을 미친 것으로 생각된다.

    3.2 경도 및 인장 특성

    본 연구에서 사용된 철근들에 대하여 표면부에서 중심 부까지 1 mm 간격마다 측정한 경도 결과를 Fig. 5에 나 타냈다. A 및 B 철근 모두 표면부에서 중심부로 갈수 록 경도가 증가했는데, 이는 표면부에서 중심부로 갈수 록 경한(hard) 조직인 펄라이트의 분율이 증가하기 때문 이다. 또한 모든 위치에서 A 철근이 B 철근보다 높은 경도를 나타냈는데, 이는 모든 위치에서 A 철근의 펄라 이트 분율이 B 철근에 비해 상대적으로 높기 때문이다.14)

    한편 각 철근마다 3번씩 상온 인장 실험을 실시하여 얻은 상온 인장 곡선을 Fig. 6에 나타냈고, 그 결과를 Table 2에 정리하였다. 본 연구에서 사용된 B 철근의 인 장 특성은 대한민국 철근 표준규격의 항복 강도 600 MPa급 내진 철근에 관한 규격을 만족하였다. 먼저 각 철 근들의 상온 인장 곡선을 살펴보면(Fig. 6), A 철근의 경 우 각 철근들의 연신율 차이가 크고, 일부 철근에서 조 기 파단이 발생한 것을 확인할 수 있었다. A 및 B 철 근들의 상온 인장 시험 후 파단된 철근들을 보면(Fig. 7), A #1 및 A #2 철근은 다른 철근들과는 다르게 네킹 (necking)이 발생한 흔적이 거의 없었고, 특히 A #1 철 근은 그립(grip)부에서 파단이 발생한 것을 확인할 수 있 었다. 이는 B 철근에 비해 경한 조직인 펄라이트 분율 이 높은 A 철근의 경우 전위 슬립(slip)에 의한 소성변 형이 억제되면서 조기 파단 및 그립부 파단이 발생한 것 으로 생각된다.15)

    또한 두 철근의 인장 특성을 비교해 보면(Table 2), A 및 B 철근 모두 600 MPa 이상의 높은 항복 강도를 나 타내고, 인장 강도의 경우에는 A 철근이 1,000 MPa 이 상으로 B 철근에 비해 높았다. 이로 인해 A 철근의 항 복비가 B 철근보다 더 높았다. 반면 균일 및 총 연신 율의 경우 B 철근이 각각 8 및 11 % 이상으로 A 철근 에 비해 매우 우수하였다. 일반적으로 항복 강도는 재 료의 초기 미세조직에 의해 결정되는데, 미세한 결정립 을 가지거나, 펄라이트와 같은 경한 미세조직 분율이 높 을수록 항복 강도가 크다.15-18) 본 연구에서는 펄라이트 의 분율이 높은 A 철근에 비해 펄라이트 분율이 낮은 B 철근도 높은 항복 강도를 나타냈는데, 이는 비교적 높 은 바나듐 함량에 의해 형성된 석출물이 항복 강도 증 가에 기여한 것으로 판단된다. 인장 강도는 항복 이후 가공경화의 영향을 크게 받는데, 일반적으로 페라이트-펄 라이트 조직에서 펄라이트 분율이 높을수록 가공경화가 증가하여 인장 강도가 높아지며, 기지(matrix)와 부정합 (incoherency)을 이루는 석출물도 가공경화를 증가시킨다 고 알려져 있다.15-18) A 및 B 철근의 경우 펄라이트 분 율의 차이는 큰 반면, 바나듐 함량의 차이는 적고, 두 철근 모두 0.15 wt% 이상의 높은 바나듐 함량을 가지고 있기 때문에 펄라이트 분율의 영향이 커서 A 철근의 인 장 강도가 더 높게 나타났다. 따라서 항복 강도와 인장 강도의 비율인 항복비도 A 철근이 더 높은 것으로 판 단된다. 반면 균일 및 총 연신율의 경우 B 철근이 높 았는데, 이는 펄라이트 분율이 낮고, 연한(soft) 상인 페 라이트의 분율이 높아 상대적으로 전위의 슬립에 의한 소성변형이 원활하게 일어나기 때문이다.15)

    본 연구에서 pilot plant를 이용하여 제조된 A 및 B 철근 모두 600 MPa 이상의 우수한 항복 강도 및 1.25 이상의 우수한 항복비를 가지지만, B 철근의 균일 및 총 연신율이 각각 8 및 10 % 이상으로 A 철근보다 우수 하였다. 따라서 B 철근이 강도 및 항복비와 함께 연신 율도 고려해야 하는 600 MPa급 내진 철근에 더 적합한 것을 알 수 있었다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 pilot plant를 이용하여 제조된 600 MPa 급 두 내진용 철근의 미세조직을 정량적으로 분석하고, 경도 및 인장 시험을 통해 미세조직과 기계적 특성의 상 관관계를 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

    두 철근의 펄라이트 분율 및 페라이트 결정립 크기는 중심부에서 표면부로 갈수록 감소하였는데, 이는 중심부 와 표면부의 열간 압연 시의 변형되는 정도 및 냉각 속 도의 차이 때문이다. 한편 A 철근이 B 철근에 비해 높 은 펄라이트 분율과 조대한 층상 간격을 나타냈는데, 이 는 B 철근에 비해 높은 탄소 함량 때문이다.

    철근의 위치에 따른 경도 분석 결과 A 및 B 철근 모 두 중심부에서 표면부로 갈수록 경도가 감소하였는데, 이 는 중심부에서 표면부로 갈수록 펄라이트 분율 감소하 였기 때문이다. 특히 A 철근이 모든 위치에서 B 철근 보다 경도가 높았는데, 이는 비교적 많은 탄소 함량에 의한 높은 펄라이트 분율 때문이다.

    항복 강도는 탄소 함량이 높은 A 철근과 바나듐 함 량이 높은 B 철근 모두 600 MPa 이상의 높은 항복 강 도를 나타냈지만, 인장 강도는 A 철근이 높았다. 이는 높은 탄소 함량에 의한 높은 펄라이트 분율이 가공경화 를 증가시켰기 때문이며, 이에 따라 항복비도 A 철근이 더 높았다. 반면 균일 및 총 연신율의 경우 B 철근이 높았는데, 이는 낮은 펄라이트 분율로 인해 전위의 슬 립에 의한 소성변형이 원활히 일어났기 때문이다. 반면 높은 펄라이트 분율을 가진 A 철근은 전위의 슬립이 원 활하지 못해 조기 파단 및 그립부 파단이 발생하였다.

    Acknowledgment

    This work was supported by the Technology Innovation Program (Grant No. 10063488) funded by the Ministry of Trade, Industry and Energy (MOTIE), Korea. The authors would like to thank Mr. Sung-Bin Won of Dongkuk Steel for the supply and tensile test of reinforced steel bars.

    Figure

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    Photographs showing a process to fabricate 600 MPa-grade seismic-resistant reinforced steel bars by a pilot plant.

    MRSK-29-6-349_F2.gif

    Optical micrographs of the center, middle and surface regions for the A and B steel bars.

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    SEM micrographs of the center, middle and surface regions for the A and B steel bars.

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    Variations in (a) pearlite volume fraction, (b) ferrite grain size and (c) interlamellar spacing plotted as function of location for the A and B steel bars with fully ferrite-pearlite structure.

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    Hardness plotted as a function of location of the A and B steel bars, showing a A-shaped hardness distribution.

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    Engineering stress-strain curves of the (a) A and (b) B steel bars. Room-temperature tensile test was performed according to KS D0802 specification.

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    Fracture appearances after tensile tests of the (a) A and (b) B steel bars.

    Table

    Chemical composition (wt%) of the A and B steel bars. The chemical composition and carbon equivalent (Ceq= C + 1/6Mn + 1/15Cu + 1/5V) of the A and B steel bars satisfy the requirements of KS D3504 specification.1)

    Tensile properties of the A and B steel bars. The tensile properties of the B steel bar satisfy the requirements of KS D3504 specification.1)

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