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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.30 No.1 pp.8-13
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2020.30.1.8

Effect of Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of an Fe-6.5Mn-0.08C Medium-Manganese Steel

Young-Chul Yoon, 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 E-Mail : bhwang@seoultech.ac.kr (B. Hwang, Seoul Nat’l Univ. of Sci. and Tech.)
September 30, 2019 November 30, 2019 December 1, 2019

Abstract


Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of an Fe-6.5Mn-0.08C medium-manganese steel is investigated in this study. Three kinds of medium-manganese steel specimens are fabricated by varying heat treatments of intermediate quenching (IQ), step quenching (SQ), and intercritical annealing (IA). Hardness and tensile tests are performed to examine the correlation of microstructure and mechanical properties for the Fe-6.5Mn-0.08C medium-manganese steel specimens. The IQ and SQ specimens have microstructures of martensite matrix with ferrite, whereas IA specimen exhibits microstructure of acicular ferrite matrix with martensite. The tensile test results show that the SQ specimen with martensite matrix has the highest yield strength and the lowest elongation. On the other hand, the SQ specimen has the highest hardness due to the relatively lower reduction of carbon content in martensite during intercritical annealing. According to the fractography of tensile tested specimens, the SQ specimen exhibits a dimple and quasi-cleavage fracture appearance while the IQ and IA specimens have fully ductile fracture appearance with fine-sized dimples caused by microvoid coalescence at ferrite and martensite interface.



열처리에 따른 Fe-6.5Mn-0.08C 중망간강의 미세조직과 기계적 특성

윤 영철, 이 상인, 황 병철†
서울과학기술대학교 신소재공학과

초록


    National Research Foundation of Korea
    NRF-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

    현재 자동차 및 수송기기 산업에서 안정성과 연비를 향 상시키기 위하여 차체 구조의 경량화 및 고강도화가 요 구되고 있다. 철강 재료는 강도가 우수하고 가격이 저렴 하여 다른 경쟁소재에 비해 널리 사용되는 소재이다.1) 그 중 중망간강(medium-manganese steel)은 3 ~ 10 wt%의 망간을 첨가하여 만든 철강 재료로 우수한 강도와 인성 의 조합을 가지고 있어 다양한 산업 분야에서의 적용이 기대되고 있다.2-6)

    일반적으로 열처리 조건을 통한 철강 재료의 미세조직 제어는 기계적 특성을 변화시킬 수 있다. 최근 Zou 등7) 은 중망간강을 오스테나이트화(austenizing) 이후 급랭하 여 2상 영역에서의 열처리를 통해 제조된 합금의 미세 조직 형태와 충격 특성에 대해 보고하였고, Kim 등8) 은 열처리를 달리한 2상 조직강을 제조하여 기계적 성 질에 미치는 미세조직적 인자의 영향을 분석하였다. 그 결과 중간 급랭(intermediate quenching, IQ)조건은 단계 급랭(step quenching, SQ) 및 임계 어닐링(intercritical annealing, IA)에 비해 연성을 향상시키며, 항복비를 낮 추고, 가공경화속도를 증가시키는 것으로 나타났다. 실제 로 열처리 조건에 따른 미세조직은 합금 원소와 제조 방 법 등에 따라 달라지며, 그에 따라 기계적 특성이 영향 을 받게 된다.

    본 연구에서는 Fe-6.5Mn-0.08C(wt%)의 화학 조성을 갖는 중망간강에 대하여 3종류의 다른 열처리 조건으로 페라이트 및 마르텐사이트 조직을 갖는 시편들을 제조 하고, 경도 및 인장 시험을 실시하여 중망간강의 기계 적 특성에 미치는 미세조직적 인자의 영향에 대해 구체 적으로 분석하였다.

    2. 실험 방법

    본 연구에서 사용된 합금은 Fe-6.5Mn-0.08C(wt%)의 화학 조성을 갖는 중망간강이다. 이 중망간강은 1,200 °C 에서 오스테나이트화 처리 후 900 °C 이상의 온도에서 두께 12 mm로 열간 압연된 판재이다. 온도에 따른 강 재의 상 분율과 잔류 오스테나이트의 양을 Thermo-Calc 소프트웨어(Version 7.0, TCFE7 database, Sente Software Ltd., UK)를 통해 계산하였고, 이를 Fig. 1에 나타내었 다. 계산된 결과를 통해 900 °C에서 오스테나이트화 처 리하였고, 페라이트와 오스테나이트가 분율이 각각 50 % 인 650 °C에서 2 상역 열처리를 실시하였다. 모든 열처 리는 1시간 동안 실시하였으며, ‘IQ’, ‘SQ’, ‘IA’로 표기 된 상세한 열처리 조건을 Fig. 2에 나타내었다. 미세조 직은 열처리된 시편의 L-S(longitudinal-short transverse plane) 면을 연마하고, 3 % 나이탈 용액으로 에칭한 후 광학현미경과 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope, Model: VEGA3, Tescan, Czechia)으로 관 찰하였다. X선 회절 분석법(XRD, X-ray diffraction, Model: DE/D8 Advance, Bruker, Germany)을 통해 열 처리된 시편의 결정 구조를 확인하였다.

    인장 시험은 ASTM E8 표준 시험법에 따라 열처리된 시편의 압연 방향으로 표점 거리 25.0 mm, 폭 6.3 mm 및 두께 2.0 mm의 subsize 판상 시편으로 가공하고, 10톤 용량의 만능 시험기(Model: ULM-T10, MTDI, Korea)를 사용하여 3.33 × 10−3 s−1의 변형률 속도로 상온에서 인 장 시험하였고, 연속 항복 거동을 나타내는 시편들의 경 우 응력-변형률 곡선으로부터 0.2 % off-set한 유동 응력 을 항복 강도로 정의하였다. 가공경화지수는 Hollomon 식에 기반하여 인장 응력-변형률 곡선으로부터 측정되었 다.9) 경도 시험은 마이크로 비커스 경도계(Model: FM- 800, Future-tech, Japan)를 이용하여 500 gf의 하중을 15 초간 유지하여 실시하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 미세조직

    본 연구에서 사용된 Fe-6.5Mn-0.08C 중망간강의 열간 압연된 시편과 열처리된 시편의 광학현미경과 주사전자현 미경 사진을 Fig. 34에 나타내었다. 광학현미경 사진 을 보면(Fig. 3), 모든 시편에서 페라이트와 마르텐사이트 의 두 가지 미세조직이 나타난다. 시편들의 미세조직 형 태를 보다 자세히 관찰하기 위해 주사전자현미경 사진을 보면(Fig. 4), IQ 시편의 경우 중간 급랭 처리로 만들어 진 마르텐사이트에 페라이트가 핵 생성되어 페라이트와 마 르텐사이트 형상을 나타냈으며, SQ 시편의 경우 단상 오 스테나이트에서 핵 생성된 다각형의 페라이트와 급랭에 의 한 마르텐사이트를 확인하였다. IA 시편의 경우 2상 영 역 열처리에서 형성된 미세한 침상형의 페라이트와 마르 텐사이트를 제외한 다른 상들은 구분하기 어려웠다.

    본 연구에서는 열처리 조건에 따른 중망간강의 미세조 직을 보다 정확하게 구분하기 위해 XRD 분석을 실시하 였으며, 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 모든 시편에서 나타난 체심정방구조(body centered cubic, BCC)는 페라 이트와 마르텐사이트로 고려될 수 있다. IQ 시편은 BCC 상인 페라이트와 마르텐사이트만 나타났으며, IA 시편의 경우 육방조밀구조(hexagonal close packed, HCP)를 갖 는 입실론 마르텐사이트(epsilon martensite, ε)가 일부 확 인되었다. 모든 시편에서 면심입방구조(face centered cubic, FCC)를 갖는 잔류 오스테나이트(retained austenite, γR)가 나타나지 않았는데, 이는 2상 영역인 650 °C에서 중망간 강 조성에 의존하는 오스테나이트의 안정도가 낮아 급 랭시 마르텐사이트로 변태되기 때문이다.

    3.2 경도 및 인장 특성

    열처리 조건에 따라 미세조직이 다른 3종류의 중망간 강 시편을 제조한 후 상온 인장 시험을 통해 얻어진 인 장 곡선 및 가공경화 곡선을 Fig. 6에 나타내었고, 이를 통해 얻은 인장 특성을 Fig. 7에 정리하였다. 본 연구에 서 사용된 합금의 경우 제조 조건과 관계없이 모든 합 금에서 연속 항복 거동을 나타내었는데, 이는 마르텐사 이트가 생성되면서 높은 밀도의 가동 전위가 형성되기 때문이다.10-14) 항복 및 인장 강도의 경우[Fig. 7(a)], SQ 시편은 1,234 MPa의 높은 항복 강도를 나타내었고, IQ 시편은 671 MPa로 SQ 시편에 비해 크게 낮았다. 이는 IQ 시편의 경우 급랭 후 2상 조직 열처리에 따라 마르 텐사이트 내부에 있는 탄소 원자의 확산으로 내부에 존 재하는 탄소의 양이 감소하기 때문이다. 이러한 마르텐 사이트 내 탄소량 감소는 마르텐사이트의 강도를 크게 감소시킨다.10,15-16)

    한편 연신율의 경우 IQ 시편과 IA 시편에서 26.6 % 와 22.8 %로 높은 값을 보였으며, SQ 시편은 8.6 %로 상대적으로 낮았다. 이는 SQ 시편의 경우 연한 페라이트 조직보다 급랭 처리에 의해 생성된 마르텐사이트가 기지 상으로 존재하기 때문이다. 가공경화지수(work hardening exponent)는 재료 내에 가공경화의 정도를 나타내는 지 수이며, 항복비(yield ratio)는 소재의 항복 강도와 인장 강도의 비로 항복비가 커짐에 따라 재료의 변형 능력이 저하되는 것으로 평가된다.17) 가공경화지수의 경우[Fig. 7(c)], IQ 시편은 0.253을 나타내는데 반해 SQ 시편은 0.139로 상대적으로 낮은 가공경화지수를 보였다. 항복비 는 SQ 시편이 0.84로 가장 높았고, IQ 시편과 IA 시편 이 각각 0.55 및 0.53으로 나타났다.

    열처리된 중망간강의 마이크로 비커스 경도를 Fig. 7(d) 에 정리하였다. 동일 조성에서 열처리에 따른 경도 값 을 비교해 보면, SQ 시편의 경도가 366 Hv로 가장 높 았으며, IQ 시편은 274 Hv로 가장 낮게 나타났다. 경도 는 미세조직 상과 미세조직 내부의 탄소 함량에 따라 크 게 변화하며, SQ 시편의 경우 페라이트에 비해 상대적 으로 경한 마르텐사이트가 많이 존재하여 높은 경도를 나타낸다. 반면 IQ 시편의 경우 2상 영역 열처리에서 마 르텐사이트 내부의 탄소량이 감소하여 낮은 경도를 나 타낸 것으로 생각된다.

    상온 인장 시험 후 파괴된 인장 시편의 파면을 SEM 으로 분석한 결과를 Fig. 8에 나타내었다. IQ 시편과 IA 시편의 경우 딤플(dimple)이 관찰되는 일반적인 연성 파 괴 형태를 보이고, SQ 시편은 딤플과 취성 파면의 혼 합 형태인 준벽개 파괴(quasi-cleaverage)형태를 보였다. 이는 연성 파면의 경우 페라이트와 마르텐사이트 계면 에서 미소 공동의 형성과 합체에 의한 크고 작은 딤플 들이 생성되어 나타나기 때문이며, 준벽개 파면은 인장 시험 도중에 형성된 균열이 페라이트의 입내를 통과하 여 전파하기 때문으로 판단된다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 Fe-6.5Mn-0.08C(wt%)의 조성을 갖는 중망간강에 대하여 열처리 조건을 달리하여 3종류의 시 편을 제조한 후 미세조직과 기계적 특성을 분석하여 다 음과 같은 결론을 얻었다.

    • 1) 미세조직 분석 결과 IQ 시편과 SQ 시편은 마르텐 사이트 기지상에 페라이트가 존재하는 미세조직을 나타 냈으며, IA 시편은 마르텐사이트와 함께 침상형의 페라 이트가 주로 관찰되었다.

    • 2) 인장 시험 결과 SQ 시편은 연한 페라이트 조직보 다 급랭 처리에 의해 생성된 마르텐사이트가 기지상으 로 존재하기 때문에 IQ 시편에 비해 상대적으로 높은 항 복 강도와 낮은 연신율을 나타내었다. 또한 경도의 경 우 마르텐사이트 내 탄소 함량의 영향을 크게 받는데 2 상 영역 열처리 동안 탄소량의 감소가 적은 SQ 시편이 가장 높게 나타났다.

    • 3) 상온 인장 시험 후 파면의 형상은 마르텐사이트 기 지에 페라이트가 존재하는 SQ 시편의 경우 균열이 페 라이트 입내로 전파하여 딤플과 취성 파면이 관찰되는 준벽개 파괴 형상을 나타낸 반면, IQ 및 IA 시편의 경 우 페라이트와 마르텐사이트 계면에서 미소 공동의 형 성으로 미세한 딤플을 확인할 수 있는 연성 파괴 형상 이 관찰되었다.

    Acknowledgment

    This work was supported by the Basic Science Research Program (NRF-2017R1A2B2009336) funded by the National Research Foundation of Korea, South Korea. The authors would like to thank Dr. Nam-Hun Koo of Hyundai Steel company for providing medium-manganese steel plates.

    Figure

    MRSK-30-1-8_F1.gif

    (a) Phase fractions of ferrite (α), austenite (γ) and cementite (θ), and (b) fractions of austenite (γ), retained austenite (γR) and stacking fault energy (SFE) as a function of annealing temperature for the Fe-6.5Mn-0.08C medium-manganese steel. The SFE was calculated by thermodynamic model based on the chemical composition.

    MRSK-30-1-8_F2.gif

    Schematic representation of intermediate quenching (IQ), step quenching (SQ), and intercritical annealing (IA) for the Fe-6.5Mn- 0.08C medium-manganese steel. WQ indicates a water quenching.

    MRSK-30-1-8_F3.gif

    Optical micrographs of the (a) IQ, (b) SQ, and (c) IA specimens for the Fe-6.5Mn-0.08C medium-manganese steel. The longditudinal-short transverse plane of the medium-manganese steel specimens was observed.

    MRSK-30-1-8_F4.gif

    SEM micrographs of the (a) IQ, (b) SQ, and (c) IA specimens for the Fe-6.5Mn-0.08C medium-manganese steel. The longditudinalshort transverse plane of the medium-manganese steel specimens was observed.

    MRSK-30-1-8_F5.gif

    X-ray diffraction patterns of the IQ, SQ, and IA specimens for the Fe-6.5Mn-0.08C medium-manganese steel.

    MRSK-30-1-8_F6.gif

    (a) Engineering stress-strain curves and (b) true stress-strain curves and work hardening rate curves of the IQ, SQ, and IA specimens for the Fe-6.5Mn-0.08C medium-manganese steel.

    MRSK-30-1-8_F7.gif

    (a) Yield and tensile strengths, (b) uniform and total elongations, (c) yield ratio and work hardening exponent, and (d) Vickers hardness of the IQ, SQ, and IA specimens for the Fe-6.5Mn-0.08C medium-manganese steel.

    MRSK-30-1-8_F8.gif

    SEM fractographs of the (a) and (d) IQ, (b) and (e) SQ, and (c) and (f) IA specimens for the Fe-6.5Mn-0.08C medium-manganese steel: (a)-(c) macroscopic and (d)-(f) microscopic fracture surfaces. Dotted arrows indicate cracks.

    Table

    Reference

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