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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.31 No.9 pp.519-524
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2021.31.9.519

Effect of Al Addition on the Cryogenic-Temperature Impact Properties of Austenitic Fe-23Mn-0.4C Steels

Sang-Gyu Kim, Jae-Yoon Kim, Tae-Hee Yun, 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. Sci. and Technol.)
August 14, 2021 August 21, 2021 September 5, 2021

Abstract


The impact properties of two austenitic Fe-23Mn-0.4C steels with different Al contents for cryogenic applications are investigated in this study. The 4Al steel consists mostly of austenite single-phase microstructure, while the 5Al steel exhibits a two-phase microstructure of austenite and delta-ferrite with coarse and elongated grains. Charpy impact test results reveal that the 5Al steel with duplex phases of austenite and delta-ferrite exhibits a ductile-to-brittle transition behavior, while the 4Al steel with only single-phase austenite has higher absorbed energy over 100 J at -196 °C. The SEM fractographs of Charpy impact specimens show that the 4Al steel has a ductile dimple fracture regardless of test temperature, whereas the 5Al steel fractured at -100 °C and -196 °C exhibits a mixed fracture mode of both ductile and brittle fractures. Additionally, quasi-cleavage fracture caused by crack propagation of delta-ferrite phase is found in some regions of the brittle fracture surface of the 5Al steel. Based on these results, the delta-ferrite phase hardly has a significant effect on absorbed energy at room-temperature, but it significantly deteriorates low-temperature toughness by acting as the main site of the propagation of brittle cracks at cryogenic-temperatures.



알루미늄 첨가에 따른 오스테나이트계 Fe-23Mn-0.4C 고망간강의 극저온 충격 특성

김 상규, 김 재윤, 윤 태희, 황 병철†
서울과학기술대학교 신소재공학과

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.

    1.서 론

    최근 액화천연가스(LNG, liquefied natural gas)에 대한 수요가 증가함에 따라, 극저온에서 우수한 물성을 갖는 소재에 대한 요구가 증가되고 있다.1-5) 일반적으로 극저 온에서 LNG의 안전한 저장 및 운송을 위해 오스테나 이트계 스테인리스강, 9 % Ni강 및 Al 합금 등의 소재 가 널리 사용되지만, 최근 이들보다 상대적으로 저렴하 고, 우수한 극저온 강도, 인성 및 연성을 가진 오스테 나이트계 고망간강(austenitic manganese steel)이 개발되 면서 크게 주목받고 있다.5-11)

    오스테나이트계 고망간강의 기계적 물성은 변형 유기 마르텐사이트, 변형 쌍정 및 전위 활주 등에 의한 변형 거동에 따라 달라지며, 이는 화학 조성과 온도에 의존 하는 적층결함 에너지(SFE, stacking fault energy)의 영 향을 받는 것으로 알려져 있다.11-17) 특히 C와 Mn은 오 스테나이트 안정화 원소로 작용하여 오스테나이트계 고 망간강의 SFE를 높이고, Al의 첨가는 변형 쌍정을 활 성화시켜 오스테나이트계 Fe-Mn-C-Al 강의 극저온 인성 을 향상시킨다는 보고가 있다.8) 또한 오스테나이트계 고 망간강에 다량의 Al과 C를 첨가하면 오스테나이트 단상 또는 오스테나이트와 페라이트의 2상 조직 내에 분포된 κ-탄화물로 인해 기계적 특성이 향상되기도 한다.18-22)

    한편 Al은 페라이트 안정화 원소로 작용함과 동시에 오스테나이트계 고망간강에서 SFE를 효과적으로 증가시 키는 원소로 작용하여 극저온에서 마르텐사이트 변형을 억제시키고 기계적 쌍정과 전위 활주를 용이하게 하여 우수한 극저온 인성, 높은 성형성 및 수소로 인한 지연 파괴를 억제한다.21) 그러나 다량의 Al 첨가는 오스테나 이트계 고망간강에서 델타 페라이트(delta-ferrite)를 형성 시킬 수 있는데, 이들 Al 첨가와 델타 페라이트의 형성 이 오스테나이트계 고망간강의 극저온 충격 특성에 미 치는 영향에 대해서는 연구가 부족한 실정이다.23-25) 따 라서 본 연구에서는 Al 함량이 다른 2 종류의 고망간 강을 제조한 후 미세조직을 분석하고, 다양한 온도 범 위에서 충격 시험을 실시하여 Al 첨가에 따른 미세조직 과 극저온 충격 특성의 변화에 대하여 고찰하였다.

    2. 실험방법

    본 연구에서 사용된 강은 Al 함량이 다른 Fe-23Mn- 0.4C 고망간강으로 Table 1에 그 화학조성과 상분율을 나 타내었다. 이들 강은 1,200 °C에서 오스테나이트화 처리 후 900 °C에서 열간 압연을 통해 12 mm의 두께로 제조 되었다. 본 논문에서 편의상, Al 함량 차이에 따라 각 강을 ‘4Al’과 ‘5Al’로 명명하였다. 열간 압연 판재들의 초기 미세조직은 강재의 L-T (longitudinal-transverse) 면 을 연마하고, 3 % 나이탈 용액으로 에칭한 후 광학현미 경과 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM, scanning electron microscope, Model: JSM-6700F, JEOL, Japan)으로 관 찰하였다. 또한 미세조직을 보다 자세히 관찰하기 위해 전자후방산란회절(EBSD, electron backscatter diffraction) 분석을 실시하였으며, 기계적 연마로 인해 발생한 표면 결함을 제거하기 위해 90 % glacial acetic acid와 10% perchloric acid를 혼합하여 넣은 분사식 전해 연마를 실시 하였다. EBSD 분석 데이터는 TSL사(TexSEM Laboratories, Inc. Draper, UT, USA)에서 제공하는 OIM (orientation imaging microscopy) 분석 소프트웨어를 사용하였다. 또 한 X선 회절 분석법(XRD, X-ray diffraction, Model: Bruker DE/D8 Advance, Bruker, Germany)을 통해 강 재 내 형성된 상을 확인하였고, EBSD 분석을 통해 상 의 분율을 측정하였다.

    인장 시험은 ASTM E8 표준 시험법에 따라 압연 방 향으로 표점 거리 25.0 mm, 폭 6.3 mm, 두께 2mm의 sub-size 판상 시편으로 가공하였고, 10톤 용량의 만능 시 험기(Model: UT-100E, MTDI, Korea)를 사용하여 10-3 s-1의 변형률 속도로 상온에서 실시하였다. 또한 온도에 따른 충격 특성의 평가를 위해 ASTM E23 시험법에 따 라 T-L(transverse-longitudinal) 방향으로 10× 10 × 55 mm 크기의 샤르피 충격 시편으로 가공하였으며, -196 ~ 25°C의 온도 범위에서 300 J 용량의 시험기(Model: DTI- 603B, Daekyung Tech, Korea)를 사용하여 충격 시험을 실시하였다. 충격 시험은 각 조건별로 2회씩 실시하였으 며, 시험 결과의 평균값을 사용하여 온도별 흡수 에너 지를 나타내었다. 충격 시험 후 -196, -100 °C 및 20 °C 에서 파괴된 시편의 파면을 SEM으로 관찰하였고, 균열 의 전파 양상을 확인하기 위해 -196 °C에서 파괴된 충 격 시편의 횡단면을 EBSD로 관찰하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1. 미세조직 분석 및 인장 특성

    본 연구에서 제조된 4Al과 5Al 강의 광학현미경과 SEM 미세조직 관찰 결과를 Fig. 1에 나타내었다. 4Al 강의 경우 어닐링 쌍정을 포함하는 오스테나이트 단상 으로 이루어져 있지만, 5Al 강은 길게 늘어진 형태의 델 타 페라이트와 오스테나이트로 이루어진 2상 조직(duplex) 이 관찰되었다. Fig. 2에 나타낸 XRD 회절 패턴을 보 면 Fig. 1에서 얻은 미세조직 결과와 동일하게 4Al 강 은 면심 입방 구조(FCC, face-centered cubic)의 오스테 나이트 회절 피크만을 나타내는 반면, 5Al 강에서는 체 심 입방 구조(BCC, body-centered cubic)의 페라이트 회 절 피크가 추가적으로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 Al이 페라이트 안정화 원소로 작용하여 고온에서 델타 페라이트를 안정화시키기 때문이다.22)

    본 연구에서 제조된 4Al와 5Al 강의 미세조직을 EBSD 로 관찰한 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 4Al 강의 inverse pole figure(IPF)와 phase map에서 오스테나이트 단상 조 직을 나타내었고, 5Al 강의 경우 오스테나이트 조직에 압 연 방향을 따라 길게 형성된 조대한 델타 페라이트 조 직을 관찰할 수 있다. 또한 grain boundary map을 통해 오스테나이트 결정립은 대부분 15° 이상의 고경각으로 이 루어져 있고, 응고 과정 중 이미 형성된 델타 페라이트 조직은 열간 압연 중 발생한 변형으로 인해 결정립 내 부에 15° 이하의 저경각계가 형성되어있는 것을 확인할 수 있다.

    본 연구에서 사용된 두 고망간강의 상온 인장 시험을 통해 얻은 인장특성을 Table 1에 정리하였다. 실제로 Al 함량 차이에 관계없이 모든 강에서 연속 항복 거동이 관 찰되었지만, Al 함량이 높은 5Al 강은 4Al 강보다 항 복 및 인장 강도와 연신율이 모두 우수하였다. 이는 Al 함량의 증가로 인해 오스테나이트보다 상대적으로 경한 델타 페라이트가 형성되었기 때문이다.23,26)

    3.2. 극저온 충격 특성

    본 연구에서 제조된 4Al와 5Al 강의 온도에 따른 충 격 흡수 에너지 변화를 Fig. 4에 나타내었다. 금속재료 는 온도가 낮을수록 작동하는 슬립계의 수가 대체로 감 소하기 때문에 모든 강에서 시험 온도가 낮아짐에 따 라 흡수 에너지가 점차 감소하는 경향을 나타내었다. 그 럼에도 불구하고 오스테나이트 단상 조직을 갖는 4Al 강은 -196 °C에서 100 J 이상으로 상대적으로 높은 충 격 흡수 에너지를 나타내었다. 반면 오스테나이트-델타 페라이트의 2상 조직으로 이루어진 5Al 강에서는 비교 적 뚜렷한 연성-취성 천이 거동(ductile-to-brittle transition behavior)으로 인해 -196 °C에서 50 J 미만의 낮은 충격 흡수 에너지를 나타내었다.

    일반적으로 FCC 금속은 전위 이동을 위한 활성화 에 너지가 낮은 슬립계가 많기 때문에 연성-취성 천이 거 동이 거의 관찰되지 않지만, BCC 금속의 경우 용질 원 자와 관계없이 연성-취성 천이 거동이 발생한다.26) 이는 BCC 금속에서 온도 감소에 따른 항복 강도의 온도 의 존성이 파괴 강도의 온도 의존성보다 크기 때문이다.7,26) 따라서 연성-취성 천이 온도(ductile-to-brittle transition temperature) 미만의 온도에서 항복 강도가 파괴 강도를 초과하기 때문에, 고온에서 저온으로 갈수록 취성 파괴 의 양상을 나타낸다. 실제로 온도별 흡수 에너지 변화 를 보면(Fig. 4), FCC 구조의 오스테나이트 기지에 BCC 구조의 델타 페라이트를 포함하는 5Al 강에서 연성-취 성 천이 거동이 발생하였음을 알 수 있다. 이는 델타 페 라이트가 극저온 영역에서 충격 인성에 영향을 미치는 지배적인 인자로 작용하였기 때문이다.

    한편 20, -100 °C 및 -196 °C에서 충격 시험 후 파단 된 시편들의 SEM 사진을 살펴보면(Fig. 5), 모든 온도 에서 높은 흡수 에너지를 보인 4Al 강은 미소 공동 (microvoid)의 생성과 합체에 의해 형성된 크고 작은 딤 플을 포함한 연성 파면을 나타내었다. 이는 4Al 강이 FCC 구조를 가지는 오스테나이트 단상 조직으로만 이 루어져 있어 연성-취성 천이 거동을 나타내지 않기 때 문이다[Fig. 5(a), (b), (c)]. 반면 5Al 강의 경우 20 °C 에서 연성 파면을 나타내지만, -100 °C와 -196 °C의 저 온 영역에서 델타 페라이트의 계면을 따라 균열이 전파 하여 형성된 준벽개 파면(quasi-cleavage plane)을 나타내 었다[Fig. 5(e), (f)]. 이를 통해 델타 페라이트의 형성은 극저온 영역에서 흡수 에너지를 크게 감소시켜 연성-취 성 천이거동을 야기함을 알 수 있다.

    또한 4Al와 5Al 강의 극저온 충격 시험에 따른 균열 의 전파 양상을 관찰하기 위해 -196 °C에서 파단된 충 격 시편의 횡단면을 EBSD로 관찰한 결과를 Fig. 6에 나 타내었다. IPF와 phase map을 살펴보면, 5Al 강에서 파 단면 표면의 델타 페라이트 결정립을 따라 균열이 전파되 는 것을 볼 수 있다. 또한 kernal average misorientation (KAM) map을 보면, 4Al 강은 상대적으로 균일하게 소 성 변형되어 에너지를 충분히 흡수한 반면, 5Al 강은 파 면 근처의 다량으로 존재하는 델타 페라이트로 인해 불 균일하게 소성 변형되었음을 알 수 있다. 이를 통해 델 타 페라이트 계면을 통한 빠른 취성 균열 전파로 인해 5Al 강이 4Al 강에 비해 충격 에너지 흡수량이 충분하 지 않은 것으로 볼 수 있다. 이 결과로부터 델타 페라이 트는 그 분율이 약 10 %임에도 불구하고 상온에서의 흡 수 에너지에는 큰 영향을 미치지 않지만, 시험 온도가 낮 아짐에 따라 흡수 에너지를 감소시키고, 극저온에서의 균 열 전파 측면에서 핵심 인자로 작용함을 알 수 있었다.

    4.결 론

    본 연구에서는 Al 함량이 다른 2종류의 Fe-23Mn-0.4C 고망간강을 제조하였고, 미세조직과 극저온 충격 특성 분 석을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

    • 1) 본 연구에서 제조된 두 고망간강은 높은 Mn 함량 으로 인해 모두 오스테나이트 기지조직을 나타내었으며, Al 함량이 증가된 5Al 강에서는 밴드 형태로 길게 연 신된 델타 페라이트 조직이 일부 형성되었다.

    • 2) 온도별 충격 시험 결과 두 고망간강은 시험 온도가 낮아짐에 따라 흡수에너지가 모두 감소하였으며, Al 함량 이 증가된 5Al 강은 그 경향이 더욱 뚜렷하게 나타났다.

    • 3) 충격 시험 후 파면 분석 결과 상온에서의 파면은 두 고망간강 모두 딤플을 포함한 연성 파면을 나타내지 만, Al 함량이 증가된 5Al 강은 -100 °C와 -196 °C의 극 저온에서 준벽개 파면이 관찰되었다.

    • 4) 극저온에서의 균열 전파 경로를 관찰하기 위하여 -196 °C에서 파괴된 충격 시편의 파단면을 관찰한 결과 5Al 강의 파면 근처에는 델타 페라이트가 다량 존재하 고, 이들 계면을 따라 균열이 전파되는 것으로 관찰되 어 이들이 극저온 취성 파괴의 주요한 인자로 작용함을 알 수 있었다.

    <저자소개>

    김상규: 서울과학기술대학교 신소재공학과 대학원생

    김재윤: 서울과학기술대학교 신소재공학과 대학원생

    윤태희: 서울과학기술대학교 신소재공학과 학부생

    황병철: 서울과학기술대학교 신소재공학과 교수

    Figure

    MRSK-31-9-519_F1.gif

    (a)-(b) Optical and (c)-(d) SEM micrographs of the Fe-23Mn-0.4C steels with different Al contents.

    MRSK-31-9-519_F2.gif

    XRD patterns of the Fe-23Mn-0.4C steels with different Al contents.

    MRSK-31-9-519_F3.gif

    EBSD inverse pole figure (IPF), grain boundary (GB), kernel average misorientation (KAM) and phase maps of the Fe-23Mn- 0.4C steels with different Al contents. In the EBSD GB maps, the angle ranges of the red, blue, and black lines are 2° to 5°, 5° to 15°, and 15° to 180°, respectively.

    MRSK-31-9-519_F4.gif

    Absorbed energy as a function of the test temperature for the Fe-23Mn-0.4C steels with different Al contents.

    MRSK-31-9-519_F5.gif

    SEM fractographs of the fractured Charpy impact specimens tested at temperatures of (a)-(d) +20 °C, (b)-(e) -100 °C and (c)-(f) -196 °C for the Fe-23Mn-0.4C steels with different Al contents.

    MRSK-31-9-519_F6.gif

    EBSD inverse pole figure (IPF), image quality (IQ), kernel average misorientation (KAM) and phase maps of the cross-sectional area of the Charpy V-notch specimens tested at -196 °C for the Fe-23Mn-0.4C steels with different Al contents.

    Table

    Chemical composition, phase fraction and tensile properties of the Fe-23Mn-0.4C steels with different Al contents.

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