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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.30 No.4 pp.184-196
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2020.30.4.184

Effect of Carbon and Nickel on Microstructure and Low Temperature Charpy Impact Properties of HSLA Steels

Haewon Eom1, Sung Kyu Cho2, Young Wook Cho2, Gunchul Shin3, Yongjai Kwon3, Jung Gu Lee3, Sang Yong Shin1,3
1Department of Convergence Technology for Heavy Industries, University of Ulsan, Ulsan 44610, Republic of Korea
2Technical Research Center, Hyundai Steel Company, Dangjin 31719, Republic of Korea
3School of Materials Science and Engineering, University of Ulsan, Ulsan 44610, Republic of Korea
Corresponding author E-Mail : sshin@ulsan.ac.kr (S. Y. Shin, Univ. of Ulsan)
January 21, 2020 March 4, 2020 March 26, 2020

Abstract


In this study, effects of carbon and nickel on microstructure and low temperature Charpy impact properties of HSLA (high strength low alloy) steels are investigated. To understand the complex phase transformation behavior of HSLA steels with high strength and toughness before and after welding processes, three kinds of HSLA steels are fabricated by varying the carbon and nickel content. Microstructure analysis, low temperature Charpy impact test, and Vickers hardness test are performed for the base metals and CGHAZ (coarse-grain heat affected zone) specimens. The specimens with the lowest carbon and nickel content have the highest volume fraction of AF, the lowest volume fraction of GB, and the smallest GB packet size. So, the low temperature Charpy absorbed energy of the CGHAZ specimen is the highest. The specimens with increased carbon and nickel content have the lowest volume fraction of AF, the highest volume fraction of GB, and the largest GB packet size. So, the low temperature Charpy absorbed energy of the CGHAZ specimen is the lowest.



HSLA 강의 미세조직과 저온 샤르피 충격 특성에 미치는 탄소와 니켈의 영향

엄 해원1, 조 성규2, 조 영욱2, 신 건철3, 권 용재3, 이 정구3, 신 상용1,3
1울산대학교 중공업융합기술공학과
2현대제철 R&D Center
3울산대학교 첨단소재공학부

초록


    Ministry of Trade, Industry and Energy
    10063532
    P0002007

    © 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 석유 및 천연가스와 같은 지하자원을 탐사하는 기 술이 발달함에 따라 해저와 극지방에서의 지하자원 채 취량이 급격히 증가하고 있다.1) 따라서, 해양플랜트 산 업의 중요성이 점차 증대되고 있다. 해양플랜트용 강재 는 우수한 물성이 요구되며, 특히, 거센 파도 및 유빙 과의 충돌, 그리고 심해저의 저온을 버틸 수 있는 강도 와 인성이 요구된다.2-4) 고강도 저합금(high strength low alloy, HSLA)강은 대형 구조물의 건설에 주로 사용되는 철강재료로서, 최근에는 우수한 강도 및 인성으로 인해 해양플랜트용 강재로도 널리 쓰이고 있다. 해양플랜트에 쓰이는 HSLA 강은 베이나이트계 조직으로 구성되어 있 어서 고강도 및 고인성을 가진다. 일반적으로 철강에서 의 베이나이트 조직은 펄라이트 조직보다 높은 경도 및 강도를 가지고, 마르텐사이트 조직보다 우수한 인성을 갖 는다.5)

    HSLA 강은 용접 시 가열과 냉각의 과정을 거치면서 열영향부(heat affected zone, HAZ)가 형성된다. 1패스 용접에서 나타나는 열영향부는 가열될 때의 최고 온도 에 따라 CGHAZ(coarse-grain HAZ), FGHAZ(fine-grain HAZ), ICHAZ(inter-critically HAZ) 그리고 sub-critically heated HAZ의 4가지로 구분된다. 이 중 가장 높은 온 도로 가열 되는 CGHAZ는 결정립의 조대화 및 경질상 의 형성에 따라 다른 열영향부에 비해 인성이 낮다고 알려져 있다.6,7) 따라서, HSLA 강 용접 시 형성되는 CGHAZ의 인성을 개선시키는 것은 매우 절실하다고 할 수 있다.

    HSLA 강은 두꺼운 두께로 인해 제조 공정에서 냉각 속도의 한계가 있으므로, 다양한 합금 원소를 첨가하여 베이나이트계 조직을 얻고 강도와 저온 인성을 향상시 키는 연구가 주로 진행되고 있다.8-18) 후판강의 용접 전 후 미세조직과 물성의 변화에 큰 영향을 주는 합금 원 소는 탄질화물 형성 원소와 오스테나이트 안정화 원소 등이 있다. 탄질화물의 형성을 촉진시키는 원소는 대표 적으로 니오븀(Nb)과 티타늄(Ti)이 있다. 이들은 오스테 나이트 영역에서 Nb(C,N)과 Ti(C,N)의 형성을 촉진시킴 으로써 오스테나이트 결정립 성장을 억제하여 미세한 결 정립을 형성시킨다고 알려져 있다.19-21) 하지만 1,300 °C 이상으로 가열되는 CGHAZ에서는 Nb(C,N) 및 Ti(C,N) 의 재용해가 일어나 결정립 조대화 현상을 충분히 억제 하지 못한다는 연구 결과가 보고되고 있다.22)

    오스테나이트 안정화 원소로는 대표적으로 탄소(C)와 니 켈(Ni)이 있다. 탄소는 오스테나이트에서 페라이트로의 상 변태를 억제하고 베이나이트나 마르텐사이트 같은 저온 변태조직의 형성을 촉진시키므로 다량 첨가 시, 인성에 좋지 못한 영향을 준다고 알려져 있다.23) 니켈은 오스테 나이트에서 페라이트로의 상변태를 지연시켜 저온변태조 직의 형성을 유도하며, 저온변태조직의 결정립을 미세하 게 형성시켜 인성을 개선시킨다고 알려져 있다.24,25) 따 라서, 철강재료의 저온 인성을 향상시키기 위해서는 탄 소 함량은 낮추고 니켈 함량은 증가시키는 것이 일반적 이다. 하지만, 낮은 탄소 함량은 강도 저하 문제로 이 어질 수 있으며 특히, 냉각속도 제어에 한계가 있는 후 판강에서는 이러한 문제가 더욱 크게 발생될 수 있다. 또한, CGHAZ 미세조직은 침상형 페라이트, 베이나이 트, 마르텐사이트, 탄화물 등이 복합적으로 형성되어 있 고, 탄소와 니켈 함량의 변화에 따라 이 조직들은 동시 다발적으로 변하게 된다. 그러므로, 이들의 미세조직을 더 욱 정확하게 분석하고 기계적 특성과 연결하여 해석하 는 연구는 지속적으로 필요한 실정이다.

    따라서, 본 연구에서는 고강도 고인성을 갖는 HSLA 강의 용접 전후에 따른 복합적인 상변태 거동을 이해하 기 위해서 높은 탄소 함량을 갖는 HSLA 강에 니켈 함 량을 다르게 하여 3종류의 HSLA 강을 제조하였다. 그 리고 이들의 미세조직 분석과 경도 시험을 실시하여 모 재의 미세조직과 기계적 특성의 상관관계를 규명하였다. 또한 용접공정모사를 통해 CGHAZ 시편을 제조하였으 며, 이에 대해 미세조직 분석, 저온 샤르피 충격 시험, 경도 시험을 실시하였다. 이상의 결과로부터 HSLA 강 의 모재와 CGHAZ의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 탄소와 니켈의 영향을 규명하고자 하였다.

    2. 실험 방법

    2.1 강재 제조

    Table 1에 실험에 사용된 HSLA 강의 화학 조성을 나 타냈다. 탄소와 니켈 함량을 조절하여 3가지 강재를 만 들었고, 그 외 원소들의 함량은 동일하다. 이들 강재는 진공 용해로에서 용해되어 잉곳(ingot)으로 제조된 후, TMCP(thermos-mechanical control process) 공법을 이용 하여 최종 판재로 제조되었다. 시편은 각 강재가 갖는 니켈 함량을 바탕으로 N10, N15, N20 시편으로 명명하 였다. 화학 조성에 따른 탄소 당량은 N10, N15, N20 시편에서 각각 0.42, 0.48, 0.49 %이다. 일반적으로 탄소 당량이 높을수록 강재의 강도는 증가한다.23,26) 후판강 제 조 시, 두께 중심부에서 느린 냉각속도가 구현됨에 따 라 강도가 낮아질 수 있으므로, 모든 시편이 0.4 %를 넘 는 탄소 당량을 갖도록 설계하였다. N10 시편의 탄소와 니켈의 함량은 각각 0.04 wt%와 1.0 wt%로, 세 가지 시 편 중 가장 낮은 함량을 차지한다. N15 시편은 N10 시 편에 비해 탄소 함량과 니켈 함량이 각각 0.01 wt%, 0.5 wt%씩 높다. 그리고 N20 시편은 N15 시편과 비교하였 을 때, 탄소 함량은 동일하고 니켈 함량이 0.5 wt% 높 다. 즉, N10과 N15 시편을 비교하여 탄소와 니켈의 복 합적인 영향을 확인하고자 하였고, N15와 N20 시편을 비교하여 니켈의 영향을 확인하고자 하였다. Fig. 1에 실 험에 사용된 강재의 제조공정을 나타냈다. 모든 강재는 1,100 ± 50 °C에서 오스테나이트화 열처리를 2시간 동안 진행하였다. 이후 공냉하여 재결정 온도 이상에서 실시 되는 조압연과 재결정 온도 이하에서 실시되는 사상 압 연을 거쳐 최종적으로 두께 15 mm의 후판강을 생산하 였다. 마무리 압연 후, 750±50 °C부터 두께 중심을 기 준으로 3±1 °C/s의 속도로 400±50 °C까지 수냉하고, 이 후 상온까지 공냉하여 베이나이트 강을 제조하였다. 본 연구에서 사용된 강재는 EN code 규격으로 분류하였을 때 S 460급 구조용 강재이다.

    2.2 CGHAZ 모사 시험

    실제 용접 시 나타나는 열영향부를 모사하기 위해 그 림 2의 열 사이클을 적용하여 MTCS 장비(Thermorestor- W, Fuji Electronic Industrial Co., Tokyo, Japan)로 CGHAZ 조직을 구현하였다. Fig. 2의 열 사이클로 적 용된 입열량은 7 kJ/cm로 계산되었으며, 이는 해양플랜 트용 강재의 용접에 주로 사용되는 플럭스 코어드 아크 용접(flux cored arc welding, FCAW) 조건을 모사한 것 이다. 해양플랜트강의 용접은 주로 FCAW와 서브머지드 아크 용접(submerged arc welding, SAW)를 요구하며, 본 연구는 FCAW 공법에 따른 CGHAZ 조직의 변화와 저온 충격 인성의 평가에 집중하였습니다. 해양플랜트용 강을 FCAW 공법으로 제조하는 경우, 최대 입열량을 7±2 kJ/cm로 제한됩니다.27) CGHAZ 모사 시편은 강재 명 뒤에 ‘-H’를 붙여서 표기하였다.

    2.3 미세조직 분석 및 기계적 특성 평가

    미세조직 분석을 위하여 강재의 두께 1/2 지점에서 조 직 관찰용 시편을 채취하였다. 모든 시편의 압연 롤이 닿는 면(longitudinal-transvers plane, L-T plane)을 800, 1,200, 1,500, 2,000 grit 사포 순으로 연마 후, 1 μm 다이 아몬드 서스펜션으로 미세 연마하였다. 이후 2 % 나이탈 용액(에탄올 + 질산)으로 에칭하여 광학(optical microscope) 및 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 을 사용하여 조직을 관찰하였다.

    모재와 CGHAZ의 경도 측정은 비커스 경도기를 통해 실시되었다. 경도 측정은 강재의 두께 1/2 지점에서 LT 면에 실시하였으며, 시험 조건은 하중 300 gf, 유지 시 간 10 s로 설정하였다. CGHAZ 모사 시편에 샤르피 충 격 시험을 진행되었다. 샤르피 충격 시험에 사용된 시 편의 크기는 10 × 10 × 55 mm이다. 또한, 샤르피 충격 시 험의 시편과 V-노치의 방향은 각각 압연 방향에 수직한 방향(transverse direction)과 압연 방향에 평행한 방향 (longitudinal direction)이다. 샤르피 충격 시험은 -40과 -60 °C의 온도에서 실시하였으며, 시험 방법은 ASTM E23을 따랐다. 본 연구는 시생산재의 CTOD 시험 전 pilot 압연재의 샤르피 충격 인성을 평가하여 모재 및 CGHAZ의 미세조직과 저온 충격 인성을 연구하고자 하 였다.

    3. 실험 결과

    3.1 모재 미세조직 분석 및 비커스 경도

    베이나이트계 조직은 형태학적 특징으로 구분하였다. AF는 다각형 페라이트(polygonal ferrite, PF)보다 빠른 냉각속도에서 형성되고, 결정립의 크기가 수 μm 정도이 며, 결정립계에 미세한 크기의 경질상이 분포하여, 강도 와 저온 인성이 우수한 조직이다.27-29) GB(granular bainite) 는 준다각형 페라이트(quasi-polygonal ferrite, QPF)보다 빠른 냉각속도에서 형성되는 조직으로 고경각 결정립계 로 결정립을 구분한 패킷(packet)이 크고, 패킷 내부에 미 세한 복합 탄화물, 잔류 오스테나이트, M-A(martensiteaustenite constituents) 등과 같은 경질의 이차상이 혼재 되어 있는 조직이다.28-30) 베이나이트계 페라이트(bainitic ferrite, BF)는 침상형 페라이트(acicular ferrite, AF)보다 빠른 냉각속도에서 형성되는 조직으로 래스(lath)가 일정 한 방향성을 가지며 래스 경계부에 경질상이 분포한다. 또한, BF 내부는 저경각입계로 구성되어 있으므로 GB 와 마찬가지로 패킷의 크기가 AF에 비해 큰 편이다. 따 라서 BF는 강도가 우수하나 인성은 AF에 비해 낮다. 특 히, BF의 패킷 크기가 클 경우, 저온 인성이 매우 낮다 고 알려져 있다.31,32)

    Fig. 3에 모재의 미세조직을 광학 및 주사전자현미경 으로 관찰하여 나타냈다. 위에 제시한 미세조직의 구분 방법을 활용하여, 모든 시편의 상분율을 측정하였다. 광 학현미경으로 촬영한 대표적인 2장의 미세조직 사진을 이용하여 각 상을 구분하였고, 이미지 분석 프로그램 (SigmaScan-Pro, Jandel Cop., USA)을 이용하여 각 상 분율을 측정하였다. 오차 범위를 고려하여 10 % 단위로 상분율을 나타내었다. 모든 모재 시편은 AF가 주 조직 을 이루고 있으며, GB가 혼재되어 있다. BF는 일부 관 찰되었지만 거의 존재하지 않았다. Table 2에 모재 시편 에 대한 조직 분율 및 크기를 나타냈다. 탄소와 니켈 함 량이 가장 낮은 N10 시편은 AF 분율이 90 %로, 세 가 지 모재 시편 중 가장 높고, GB 분율은 10 %로 가장 낮았으며, GB 패킷의 크기는 19 μm으로 가장 작았다. 또 한, N10 시편에서 관찰된 AF는 다른 시편의 것에 비해 상대적으로 QPF에 가까운 형상을 띄었다. N10 시편에 비해 탄소와 니켈 함량이 높은 N15 시편은 AF 분율이 67 %로, 세 가지 모재 시편 중 가장 낮고, GB 분율은 31 %로 가장 높았으며, GB 패킷의 크기는 42 μm으로 가 장 컸다. N15 시편에 비해 니켈 함량이 높은 N20 시편 은 AF 분율이 76 %, GB 분율은 20 %, GB 패킷의 크 기는 39 μm으로, 분율 및 결정립 크기에서 N10과 N15 시편의 중간값을 가진다. 비커스 경도는 N10, N15 그 리고 N20 시편 순으로 각각 196, 225, 242 Hv이며, 탄 소와 니켈 함량이 높을수록 경도는 증가하였다.

    3.2 CGHAZ 미세조직 분석 및 비커스 경도

    Fig. 4에 CGHAZ의 미세조직을 광학 및 주사전자현미 경으로 관찰하여 나타냈다. 모든 CGHAZ 시편은 AF, GB 그리고 BF가 혼재되어 있으며, N15-H와 N20-H 시 편에서는 AF와 마르텐사이트(martensite, M)가 복합적으로 형성된 조직(a mixture of acicular ferrite and martensite, AF+M)이 형성되었다. 마르텐사이트는 철강 조직 중 가 장 빠른 냉각속도에서 형성되며, 구 오스테나이트에서 특 정 방향으로 생성된다. 마르텐사이트는 전위 밀도 및 쌍 정 밀도가 높아 강도는 높으나 인성이 매우 낮다. AF+M 의 AF와 단일 AF는 형상적으로 차이가 있다. AF+M의 AF는 날카로운 침상 형태를 띄고 있었으며, 단일 AF는 상대적으로 뭉뚝한 형상이었다.

    Table 3에 CGHAZ 시편에 대한 조직 분율 및 크기를 나타냈다. CGHAZ 시편과 모재 시편은 상분율에서 큰 차이를 보였다. AF 분율의 경우, CGHAZ 시편이 모재 시편보다 낮다. 반면, GB와 BF 분율의 경우, CGHAZ 시편이 모재 시편보다 높다. 즉, CGHAZ 시편은 모재 시편에 비해 더 많은 저온변태조직이 형성되었다. 이는 CGHAZ 모사실험에서 1,350 °C로 가열됨에 따라 PAGS 가 더 크게 형성되고, 모재 시편에 비해 보다 빠른 속 도로 냉각되었기 때문이다. 탄소와 니켈 함량이 가장 낮 은 N10-H 시편은 AF 분율이 64 %로 세 가지 CGHAZ 시편 중 가장 높고, GB 분율은 33 %이며, GB 패킷의 크기는 35 μm으로 가장 작았다. 또한, 구 오스테나이트 결정립 크기(prior austenite grain size, PAGS)는 76 μm로 N15-H와 N20-H 시편의 것보다 월등히 작았다. N10-H 시편에 비해 탄소와 니켈 함량이 높은 N15-H 시 편은 AF 분율이 25 %이고, GB 분율은 61 %로 가장 높 았으며, GB 패킷의 크기는 71 μm로 가장 컸다. N15-H 시편에 비해 니켈 함량이 높은 N20-H 시편은 AF 분율 이 15 %로 가장 낮았고, GB 분율은 46 %이며, GB 패 킷의 크기는 46 μm이다. 비커스 경도는 N10-H, N15-H 그리고 N20-H 시편 순으로 각각 243, 261, 283 Hv이 다. 즉, 모재 시편의 경우와 마찬가지로, CGHAZ 시편 의 경도도 탄소와 니켈 함량이 높을수록 증가하였다.

    CGHAZ 시편에 대한 MA 분석을 실시하고, 광학현미 경으로 MA를 관찰한 사진과 이로부터 MA 분율을 측 정하여, Fig. 5에 나타내었다. MA의 분율은 N15-H 시 편이 5.5 %로 가장 높았고, N20-H 시편이 4.1 %로 가 장 낮았다. MA의 크기는 1 ~ 2 μm 정도로 미세하였고, 그 분포도 비교적 고르게 분포하였다. 이러한 MA 분율 의 차이는 CHGAZ 시편에 따라 1 % 내외로 비교적 적 었으나, AF, BF, GB의 분율은 큰 차이를 보였다. 따라 서 MA의 차이보다는 AF, BF, GB의 분율에 따라 저온 충격 인성의 차이가 큰 것으로 판단하였다.

    3.3 CGHAZ 샤르피 충격 특성 및 파면 분석

    Table 4에 -40과 -60 °C에서 실시한 CGHAZ 시편의 샤르피 충격 시험 결과를 나타냈다. 전체적으로 샤르피 흡수 에너지의 오차 범위는 매우 컸다. 이는 CGHAZ의 조직은 매우 불균일하게 분포하고 있으며, 노치 부분에 존재하는 조직의 종류에 따라 측정되는 인성값이 크게 바뀔 수 있기 때문이다.25) CGHAZ 시편 중 AF 분율이 가 장 높은 N10-H 시편은 평균 샤르피 흡수 에너지가 -40 와 -60 °C에서 각각 126 J과 83 J로, 세 가지 CGHAZ 시편 중 가장 높았다. N10-H 시편에 비해 AF 분율이 낮고 GB 분율이 높은 N15-H 시편은 평균 샤르피 흡수 에너지가 -40와 -60 °C에서 각각 86 J과 31 J로, CGHAZ 시편 중 가장 낮았다. AF+M 분율이 가장 높은 N20-H 시편은 평균 샤르피 흡수 에너지가 -40와 -60 °C에서 각 각 96 J, 67 J이다.

    Fig. 6에 -40과 -60 °C에서 시험한 샤르피 충격 시편 의 파면을 관찰하여 나타내었다. CGHAZ 시편의 -40과 -60 °C에서 시험한 샤르피 흡수 에너지는 그 편차가 모 재에 비해 꽤 크다. 이는 Fig. 6의 샤르피 충격 시편의 파면 사진을 분석하면, -40과 -60 °C에서 모든 CGHAZ 시편에서는 연성/취성 파면이 혼재되어 나타난다. 이는 -40과 -60 °C의 온도 구간이 연성 취성 천이 온도이기 때 문이다. 따라서 Fig. 6에서 연성과 취성의 파면이 혼재 되어 나타나며, -40 °C에서 파괴된 CGHAZ 시편에서는 -60 °C에서 파괴된 CGHAZ 시편에 비해서 연성 파면이 더 넓게 나타난다.

    Fig. 7에 -40 °C에서 파괴된 시편의 파면을 주사전자현 미경으로 관찰하여 나타냈다. 파면 분석은 세 번의 실 험 중 가장 낮은 샤르피 흡수 에너지를 가진 시편에 대 해 실시하였으며, 균열이 전파하는 영역을 관찰하였다. 모 든 시편의 파면은 대부분 벽개 파면을 보였고, N10-H 시편에서는 일부 미세한 딤플(dimple)이 발견되었다. 전 체적으로 벽개 파면 크기는 각 시편에 존재하는 GB 패 킷의 크기와 유사하였다. GB 패킷의 크기가 가장 작은 N10-H 시편은 벽개 파면 크기가 약 33 μm로, 세 가지 CGHAZ 시편 중 가장 작았다. N10-H 시편에 비해 GB 패킷의 크기가 큰 N15-H 시편은 벽개 파면 크기가 약 95 μm으로, 세 가지 CGHAZ 시편 중 가장 컸다. GB 패 킷의 크기가 N10-H 시편보다는 크고 N15-H 시편보다는 작은 N20-H 시편은 벽개 파면 크기가 약 57 μm이다.

    4. 고 찰

    4.1 미세조직 형성에 미치는 탄소의 영향

    본 연구에서 사용한 HSLA 강의 베이나이트 변태 시 작 온도(bainite start temperature, Bs)를 계산하였다.33-38) N10, N15 그리고 N20 시편에 대한 Bs 온도는 각각 620, 599 그리고 581 °C이다. 따라서, 모든 모재 및 CGHAZ 시편은 베이나이트계 조직이 형성되었다. 하지만, 탄소와 니켈 함량에 따라 시편들의 조직 분율 및 크기가 달랐 으며, 이는 기계적 특성에도 영향을 미쳤다.

    탄소는 오스테나이트 안정화 원소로써 페라이트의 생 성을 억제하고 베이나이트 형성을 촉진시킨다.39,40) 즉, 탄 소 함량의 증가는 CCT 곡선을 오른쪽 아래로 이동시키 고 저온변태조직의 형성을 촉진시킨다. 따라서, 탄소 함 량이 가장 낮은 N10 시편은 AF 분율이 90 %로 모재 시편 중 가장 높고, GB 분율은 10 %로 가장 낮았다. 또 한, N10 시편의 GB 패킷의 크기는 19 μm으로 가장 작 았는데, 이는 미세한 AF가 다량으로 생성됨에 따라 조 대한 GB가 작게 나눠졌기 때문이다. 반대로, N10 시편 에 비해 탄소 함량이 0.01 wt% 높은 N15 시편은 AF 분율이 67 %로 모재 시편 중 낮고, GB 분율은 31 %로 가장 높았으며, GB 패킷의 크기는 42 μm으로 가장 컸 다. 또한, N15 시편은 N10 시편에 비해 니켈 함량도 0.5 wt% 높다. 그리고 니켈은 AF 형성을 촉진시킨다고 알려져 있다.25,41) 본 연구의 결과에서는 니켈 영향보다 탄소의 영향이 더 크게 나타남에 따라 N15 시편은 N10 시편보다 더 낮은 AF 분율을 가진 것으로 사료된다.

    위에서 나타난 모재 조직의 특성이 CGHAZ 조직에 미 치는 영향을 알아보기 위해 N10과 N15 시편의 평균 조 직 크기(d, average grain size)를 계산하였다. d는 아래 의 식과 같이 표현된다.

    ( A v e r a g e g r a i n s i z e , d ¯ ) = ( V o l u m e f r a c t i o n × g r a i n s i z e )
    (1)

    여기서 volume fraction과 grain size는 시편에 존재하는 각 조직의 상분율과 크기이다. N10 시편과 N15 시편 의 평균 조직 크기는 각각 7.3, 18.41 μm이다. 그리고 CGHAZ 시편인 N10-H와 N15-H 시편의 PAGS는 각각 76, 203 μm이다. 즉, 모재에서 평균 조직의 크기가 클수 록 CGHAZ의 PAGS가 크게 나타났다. 이는 모재 조직 의 평균 크기가 증가함에 따라 핵생성이 일어나는 수가 감소하였기 때문이다. 핵의 생성은 열역학적으로 불안정 한 결정립계, 이차상과 기지의 계면, 전위 등에서 우선 적으로 일어난다.40,42) 따라서, N10-H 시편에 비해 결정 립계의 면적이 작은 N15-H 시편은 역변태 과정에서 생 성되는 오스테나이트의 핵이 적어서 조대한 PAGS가 나 타났다. 그리고 N10-H 시편에 비해 PAGS가 큰 N15-H 시편은 AF 분율이 25 %로 낮았고, GB 분율은 61 %로 높았으며, GB 패킷의 크기는 71 μm로 컸다. 이는 PAGS 가 클수록 페라이트의 생성이 억제되고 베이나이트 형 성이 촉진되기 때문이다.43)

    4.2 미세조직 형성에 미치는 니켈의 영향

    탄소 함량이 동일한 N15-H와 N20-H 시편은 니켈 함 량의 차이로 인해 조직의 분율이 달랐다. 니켈은 오스 테나이트에서 페라이트로의 상변태를 지연시켜 저온변태 조직의 형성을 유도하므로, 니켈 함량의 증가는 CCT 곡 선을 오른쪽 아래로 이동시키고 저온변태조직의 형성을 촉진시킨다. 니켈 함량이 1.5 wt%인 N15-H 시편은 니 켈 함량이 2.0 wt%인 N20-H 시편에 비해 GB 분율은 높고, AF+M 분율은 낮다. 이러한 각 조직의 분율 차이 는 탄소의 확산 속도와 관련이 있다. Biss와 Cryderman 에 따르면,44) 베이나이트 변태 시 탄소의 확산속도가 빠 르면 페라이트/오스테나이트 계면에서 탄소 함량이 낮아 지게 되고, 페라이트의 성장이 활성화되어 조대한 패킷 의 GB가 형성되게 된다. 반대로 탄소의 확산속도가 느 리면 페라이트/오스테나이트 계면에서 탄소 함량이 높아 지게 되고, 페라이트의 성장이 억제된다. 냉각속도에 따 라 페라이트/오스테나이트 계면 주위에는 작은 결정립의 페라이트나 마르텐사이트가 혼재되어 형성될 수 있다. N15-H와 N20-H 시편의 베이나이트 시작 온도는 각각 599 °C, 584 °C이다(Table 10). 그리고 각 시편의 베이나 이트 시작 온도에서 탄소의 확산속도는 아래의 Arrhenius equation을 따른다.5,45)

    D = D 0 exp ( Q / R T )
    (2)

    여기서 D는 실제 확산 속도(actual diffusion rate), D0는 초기 확산 속도(initial diffusion rate) 그리고 Q는 확산 의 활성화 에너지(activation energy of diffusion)이다. 페라이트에서 C 확산에 대한 D0는 6.2 × 10−7 m2s−1이고, Q는 80 kJmol−1이다.45) 그리고 계산된 탄소의 확산 속도 는 599와 584 °C에서 각각 1.0 × 10−11, 7.9 × 10−12 m2s−1 이다. 즉, 니켈 함량이 높은 N20-H 시편은 N15-H 시편 에 비해 베이나이트 시작 온도가 낮으며, 이 온도에서 탄소의 확산속도는 느리다. 그 결과, N20-H 시편은 N15- H 시편에 비해 GB 분율이 낮고 AF+M 분율이 높다.

    4.3 기계적 특성에 미치는 CGHAZ 미세조직의 영향

    Fig. 8에 모재와 CGHAZ 시편의 상분율과 결정립 크 기의 비교를 그래프로 나타내었다. 모재의 경우, 대부분 AF로 조직이 구성되어 있으나, N15 시편에서 GB의 분 율과 GB 패킷의 크기가 가장 컸다. 이는 CGHAZ 시편 에서도 동일한 경향이 나타나서 N15-H 시편에서 GB의 분율과 GB 패킷의 크기가 가장 컸다. 이는 그대로 기 계적 특성에도 영향을 미치며, 그림 9에 모재와 CGHAZ 시편의 경도와 샤르피 흡수 에너지를 비교하여 나타내 었다. 탄소와 니켈의 함량이 증가할수록 저온변태조직인 GB와 BF의 분율이 증가하기 때문에 비커스 경도는 증 가하였다. 하지만 저온 샤르피 흡수 에너지는 조대한 패 킷을 갖는 GB의 분율이 높은 N15-H 시편이 가장 낮 았다.

    CGHAZ 시편의 상분율과 비커스 경도 간의 상관관계 를 살펴보면, BF 분율이 3 %로 가장 낮고 AF+M이 존 재하지 않는 N10-H 시편은 경도가 243 Hv로, 세 가지 CGHAZ 시편 중 가장 낮았다. BF 분율이 10 %이고, AF+M 분율이 4 %인 N15-H 시편은 경도가 261 Hv이 다. 그리고 BF 분율이 21 %로 가장 높고, AF+M 분율 이 32 %로 가장 높은 N20-H 시편은 경도가 283 Hv로 세 가지 시편 중 가장 높았다. 즉, CGHAZ 시편의 경 도는 BF와 AF+M 분율이 높아짐에 따라 증가하였다. 이 는 BF와 M이 다른 조직들에 비해 경한 조직이기 때문 이다. HSLA강에서 BF의 경도는 290 ~ 320 Hv이고, M 의 경도는 320 Hv 이상으로, 다른 조직들에 비해 높은 경도를 갖는다고 알려져 있다.45)

    CGHAZ 시편의 상분율과 샤르피 흡수 에너지 간의 상 관관계를 살펴보면, AF 분율이 64 %로 가장 높고 GB 패킷의 크기가 35 μm로 가장 작은 N10-H 시편에서 가 장 높은 샤르피 흡수 에너지를 보였다. 반면, GB 분율 이 61 %로 가장 높고 그 크기도 71 μm로 가장 큰 N15- H 시편에서 가장 낮은 샤르피 흡수 에너지를 보였다. 이 는 취성 파괴가 발생할 때 파괴 전파 에너지는 고경각 입계의 밀도에 비례하기 때문이다.31,32) AF 조직은 미세 한 결정립 크기로 인해 치밀한 고경각입계를 이룬다. 하 지만, GB 조직은 패킷의 크기가 크고 그 내부는 저경 각입계로 구성되어 있어서 AF 조직에 비해 고경각입계 밀도가 낮다.25-28-30) 따라서, N15-H 시편보다 높은 AF 분율과 작은 GB를 가지는 N10-H 시편에서 높은 샤르 피 흡수 에너지를 보였다.

    Fig. 10에 N10-H과 N20-H 시편의 파단면(cross-sectional area)을 주사전자현미경으로 관찰하여 나타냈다. N10-H 시 편의 파단면에서는, GB가 분포하는 영역에서는 균열 전 파가 직선적으로 나타난 반면, AF가 분포하는 영역에서 는 균열 전파 경로가 꺾인 형태로 나타났다. 이는 GB 영역에서 균열 전파가 원활히 진행되다가 AF 영역에서 치밀한 고경각입계로 인해 균열 전파가 억제된 것이다. N20-H 시편의 파단면에서는, AF+M이 분포하는 영역과 큰 GB에 BF가 혼재된 영역에서 균열 전파가 꺾이는 것 을 볼 수 있다. 즉, N20-H 시편은 N15-H 시편에 비해 균열 전파를 보다 효과적으로 억제할 수 있는 AF+M과 BF의 분율이 높아서 높은 샤르피 흡수 에너지를 가질 수 있었다. 따라서 N20-H 시편은 N15-H 시편에 비해 높 은 샤르피 흡수 에너지를 가진다. 일반적으로 BF는 인 성에 악영향을 준다고 알려져 있으나,31,32) 단일로 큰 GB 가 존재하는 것에 비해 BF가 혼재된 조직에서 균열 전 파가 억제될 수 있었다.

    5. 결 론

    본 연구에서는 탄소와 니켈의 함량을 조절하여 HSLA 강을 제조하고, 용접 모사 시험을 통해 CGHAZ 시편을 제조하여 이들의 미세조직 변화를 분석하였다. 그리고 비 커스 경도 시험과 샤르피 충격 시험을 실시하여 기계적 특성과 미세조직에 미치는 탄소와 니켈의 영향을 조사 하여 다음의 결론을 얻었다.

    • (1) 탄소와 니켈의 함량이 가장 낮은 모재(N10)와 CGHAZ 시편(N10-H)은 AF 분율이 가장 높고, GB 분 율은 가장 낮았으며, GB 패킷의 크기는 가장 작았다. 탄 소와 니켈의 함량이 모두 증가된 모재(N15)와 CGHAZ 시편(N15-H)은 AF 분율이 가장 낮고, GB 분율은 가장 높았으며, GB 패킷의 크기는 가장 컸다. 이는 탄소와 니 켈의 첨가로 AF보다 GB의 형성과 성장이 촉진되었기 때 문이다. 니켈의 함량만 증가된 모재(N20)와 CGHAZ 시 편(N20-H)은 AF와 GB 분율이 이들의 중간값을 가진다. 이는 니켈만 첨가된 경우 GB보다는 AF의 형성과 성장 이 촉진되었기 때문이다.

    • (2) 탄소와 니켈의 함량이 가장 낮은 CGHAZ 시편 (N10-H)은 저온 샤르피 흡수 에너지가 가장 높았다. 반 면, 탄소와 니켈의 함량이 모두 증가된 CGHAZ 시편 (N15-H)은 저온 샤르피 흡수 에너지가 가장 낮았다. 이 는 AF와 GB의 분율 차이와 GB 패킷의 크기 차이 때 문이다. 조대한 결정립의 GB 영역에서는 벽개 파괴 시 균열이 직선적으로 길게 전파된다. 반면, 미세한 결정립 의 AF 영역에서는 벽개 파괴 시 균열이 짧고 지그재그 형태로 꺾이게 된다. 또한 매우 복잡하게 형성된 AF+M 영역과 GB+BF 영역에서는 벽개 파괴 시 균열이 짧고 꺾이며 전파하여 저온 샤르피 충격 인성을 향상시킨다.

    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) This work was partly supported by the Korea Institute for Advancement of Technology (KIAT) grant funded by Korea Government (MOTIE). (No. P0002007, The Competency Development Program for Industry Specialist).

    Figure

    MRSK-30-4-184_F1.gif

    Schematic illustration of steel manufacturing process.

    MRSK-30-4-184_F2.gif

    Schematic illustration of simulated thermal cycle of the CGHAZ.

    MRSK-30-4-184_F3.gif

    OM and SEM images showing the morphological microstructure of (a, d) N10, (b, e) N15, and (c, f) N20 specimens.

    MRSK-30-4-184_F4.gif

    OM and SEM images showing the morphological microstructure of (a, d) N10-H, (b, e) N15-H, and (c, f) N20-H specimens.

    MRSK-30-4-184_F5.gif

    OM images showing the MA microstructure of (a) N10-H, (b) N15-H, and (c) N20 specimens.

    MRSK-30-4-184_F6.gif

    Fractographs of the fractured Charpy impact tests at -40 and -60 °C for the HAZ specimens.

    MRSK-30-4-184_F7.gif

    SEM fractographs of the (a) N10-H, (b) N15-H and (c) N20-H specimens performed Charpy impact tests at -40 °C

    MRSK-30-4-184_F8.gif

    (a) Volume fractions and (b) grain size of microstructure of base metals, and (c) volume fractions and (d) grain size of microstructure of HAZ specimens.

    MRSK-30-4-184_F9.gif

    (a) Vickers hardness and (b) Charpy absorbed energy of the base metals and HAZ specimens.

    MRSK-30-4-184_F10.gif

    SEM image of the cross-sectional areas of the fractured (a) N10-H and (b, c) N20-H specimens having lowest absorbed energy at -40 °C.

    Table

    Chemical compositions of HSLA steels. (wt%)

    Volume fractions and grain size of microstructure of HSLA steels.

    Volume fractions and grain size of microstructure of CGHAZ specimens.

    Charpy absorbed energy of CGHAZ specimens.

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