1 서 론
현재 액화천연가스(LNG) 저장용 소재로 주로 사용되 고 있는 오스테나이트계 스테인리스강, 9 % Ni강, 알루 미늄 합금 등은 원소재의 가격이 비싸고, 가공이 까다 롭기 때문에 이를 대체할 목적으로 오스테나이트계 고 망간강에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.1-8) 이러 한 오스테나이트계 고망간강은 기존에 사용되고 있는 합 금 소재에 비해 가격 경쟁력이 높으며, 우수한 저온 강 도 및 인성을 가지고 있어 많은 응용이 기대되는 소재 이다. 현재 오스테나이트계 고망간강은 극저온에서 물성 이 우수한 오스테나이트 단상 조직을 얻기 위해 오스테 나이트 안정화 원소로 알려진 Mn 및 C를 다량 함유하 고 있다. 일반적으로 오스테나이트계 고망간강은 화학 조성에 크게 의존하는 적층결함 에너지(stacking fault energy, 이하 SFE) 변화에 의해 기계적 쌍정, 변형 유기 마르텐사이트 및 전위 활주 등의 변형 조직이 나타나 며, 이들 변형 조직은 기계적 거동과 물성에 큰 영향을 미친다.9-19)
Seo 등은 Fe-18Mn-0.6C-1.5Si 조성을 갖는 쌍정유기소 성(twinning induced plasticity, 이하 TWIP) 강에 대하 여 결정립 크기와 상온에서의 연성-취성 천이 거동에 대 해 연구하였다.10) 이들 결과에 의하면 항복 강도와 최 대 인장 강도는 결정립 크기가 증가할수록 감소하였고, 연성의 경우 결정립 크기가 증가할수록 연성이 증가하 다가 특정 결정립 크기에서 최대 연성을 가진 후 다시 감소하였다. 또한 Dini 등은 Fe-31Mn-3Al-3Si 조성의 TWIP강에 대하여 인장 변형에 미치는 결정립 크기의 영 향을 고찰하였는데, 결정립 크기가 증가할수록 항복 강 도와 최대 인장 강도는 감소하였고, 연성은 증가하는 결 과를 나타냈다.11) 이와 같은 고망간 TWIP강은 Mn, Al, C, Cr, Si등의 합금 원소에 따라 오스테나이트 상의 안 정도가 달라지기 때문에 인장 특성에 미치는 결정립 크 기의 영향이 연구자들 마다 다른 것으로 볼 수 있다.
본 연구에서는 오스테나이트계 Fe-24.5Mn-4Cr-0.45C 고망간강에 대하여 어닐링 시간 및 온도를 조절하여 다 른 오스테나이트 결정립 크기를 갖는 시편을 제조한 후 결정립 크기에 따른 SFE를 계산하고, 인장 시험을 실시 하여 인장 특성과 변형 조직에 미치는 오스테나이트 결 정립 크기의 영향을 체계적으로 이해하고자 하였다.
2 실험 방법
본 연구에서 사용된 합금은 Fe-24.5Mn-4Cr-0.45C (wt. %)의 화학조성을 갖는 오스테나이트계 고망간강이다. 이 고망간강은 진공 유도용해로를 이용하여 30 kg의 잉곳으 로 제조한 후 1,200 °C 이상의 온도에서 두께 30 mm로 사이징 압연한 후 1,100 °C로 재가열하여 1,100~1,000 °C 의 온도에서 두께 5 mm로 열간 압연 후 급랭처리 하였 다. 열간 압연된 판재의 표면에 생긴 탈탄층을 제거하 기 위하여 판재의 위, 아래 면을 연삭 처리하여 두께 4 mm로 만든 후 60 % 압하율로 냉간 압연 하여 최종 두 께 1.6 mm의 판재를 제조하였다. 본 연구에서는 오스테 나이트 단상 조직을 갖는 시편에 대하여 결정립 크기를 변화시키기 위하여 열역학 계산으로부터 얻어진 평형 상 태도에 근거하여 950~1,100 °C의 온도 범위에서 5~60분 간 어닐링 처리를 하여 오스테나이트 결정립 크기가 다 른 3종류의 고망간강 시편을 제조하였다(Table 1). 여기 서, 시편들은 결정립 크기에 따라 편의상 ‘GS1’, ‘GS2’, 그리고 ‘GS3’로 표기하였다. 제조된 시편의 미세조직은 압연 판재의 옆면을 연마하고 3 % 나이탈 용액으로 에 칭한 후 광학현미경으로 관찰하였다.
Table 1
The austenite grain size, stacking fault energy and tensile properties of high-manganese steel specimens investigated in this study.
| Specimen | Austenite grain size, μm | Stacking fault energy*, mJ/m2 | Tensile properties | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Yield strength, MPa | Tensile strength, MPa | Elongation, % | |||
| GS1 | 21.4 | 27.1 | 281 | 822 | 80.9 |
| GS2 | 29.8 | 25.9 | 254 | 749 | 75.7 |
| GS3 | 57.6 | 24.4 | 153 | 541 | 47.1 |
인장 시험은 ASTM E8 표준 시험법에 따라 냉간 압 연된 시편의 압연 방향으로 표점 거리 25 mm, 직경 6.3 mm의 subsize 판상 시편으로 가공하고, 10톤 용량의 만 능 시험기를 사용하여 1.5 mm/min의 cross-head 속도로 상온에서 인장 시험하였다. 인장 시험 전, 후의 변형 조 직은 EBSD (electron backscatter diffraction) 분석을 통 해 확인하였으며, EBSD분석을 위해 시편의 표면을 기 계적으로 연마한 후 Colloidal silica 현탁액으로 최종 연 마하여 기계적 연마로 인해 발생된 표면의 결함을 제거 하였다. EBSD분석은 FE-SEM (field emission scanning electron microscope) 내에서 실시되었으며, 결정방위는 EDAX-TSL사(TexSEM Laboratories, Inc.)에서 제공되는 OIM (orientation imaging microscopy) Analysis 소프트 웨어를 이용하여 분석하였다. 인장 시험 후 파괴된 시 편의 파면을 SEM으로 관찰하여 인장 특성에 미치는 결 정립 크기의 영향을 고찰하였다.
3 결과 및 고찰
3.1 적층결함 에너지 및 미세조직
일반적으로 오스테나이트계 고망간강의 경우 변형시 쌍 정 및 변형 유기 마르텐사이트 변태가 발생하는데 이들 변형 조직은 적층결함 에너지(stacking fault energy, 이 하 SFE)에 의존한다고 알려져 있다. SFE는 재료의 내 부에 원자층의 적층순서에 생긴 결함의 계면 에너지로 합금원소, 온도, 결정립 크기 등에 따라 달라진다. SFE 를 구하는 방법으로는 X-ray 회절 또는 투과전자현미경 관찰 등의 실험을 통해 구하는 방법과 열역학 데이터를 토대로 하여 계산하는 방법이 있다. 본 연구에서는 Olson 과 Cohen에 의해 제안된 식에 결정립 크기의 영향을 추 가한 변형된 열역학적 모델 식을 사용하여 Fe-Mn-Cr-C 합금계의 SFE를 계산하였으며, Fig. 1에 본 연구에서 사 용한 SFE 계산식의 순서도를 요약하였다.20-23) Table 2 에 SFE 계산에 사용된 열역학적 수치들을 나타내었으 며,20-22,24-31) Fig. 2(d)에 오스테나이트 결정립 크기에 따 른 SFE를 나타내었다. 본 연구에서 제조된 시편의 SFE 계산 결과 오스테나이트 결정립 크기가 증가할수록 SFE 값이 작아졌지만, 그 범위는 23.4~27.1 mJ/m2로 크게 변 하지 않았다. 한편 본 연구에서는 Cr 첨가에 의한 탄화 물 석출 영향을 배제하기 위하여 열역학 계산으로부터 얻어진 평형 상태도에 근거하여 950, 1,100 °C의 온도에 서 5~60 분간 어닐링을 실시하여 결정립 크기가 다른 3 종류의 시편을 제작하였고, Fig. 2(a)~(c)에 본 연구에 서 제조된 시편들의 미세조직 사진을 나타내었다. 모든 미세조직은 오스테나이트 단상으로 존재하며, 일부 결정 립 내에 어닐링 쌍정(annealing twinning)이 존재함을 확 인할 수 있었는데 어닐링 온도가 높고, 시간이 길어질 수록 오스테나이트 결정립 크기가 증가하였다.
Fig. 2.
Optical micrographs of the high-manganese steel specimens annealed at (a) 950 °C for 5 min, (b) 950 °C for 60 min, (c) 1,100 °C for 60 min, and (d) their stacking fault energy plotted as a function of austenite grain size.
Table 2
Thermodynamic values and functions to calculate the stacking fault energy (SFE) of high-manganese steels using a modified thermodynamic model based on the Olson-Cohen model.20-22,24-31)
| Parameters | Values and functions | Reference |
|---|---|---|
| ΓSFE | 2ρ(ΔGγ→ ε + ΔGex) + 2σ γ/ε (mJ/m2) | [20,21] |
| ρ | 2.94 × 10–5 (mol/m2) | [24] |
| σ | 9 (mol/m2) | [25] |
| ΔGγ→ε | ||
| –2243.38 + 4.309T (J/mol) | [26] | |
| –1000 + 1.123T (J/mol) | [26] | |
| 1370 – 0.163T (J/mol) | [27] | |
| –22,166 (J/mol) | [28] | |
| 2873 – 717(XFe – XMn) (J/mol) | [29] | |
| 2095 (J/mol) | [30] | |
| 42500 (J/mol) | [31] | |
| 26910 (J/mol) | [28] | |
| β γ/μB | 0.7XFe+ 0.62XMn – 0.64XFeXMn – 4XC | [27] |
| β ε/μB | 0.62XMn – 4XC | [27] |
| T | 298 (K) | |
| 250 lnXMn – 4750XCXMn – 222XCu – 2.6XCr – 6.2XAl – 13XSi+ 720 (K) | [27] | |
| 580XMn (K) | [27] | |
| p | 0.28 | [22] |
| D | 2.342456517 | [22] |
| ΔGex | 170.06exp(–d/18.55) (J/mol) | [21] |
3.2 오스테나이트 결정립 크기에 따른 인장 특성
본 연구에서 어닐링 조건에 따라 오스테나이트 결정립 크기가 다른 3 종류의 시편을 제작한 후 상온 인장 시 험을 실시하여 인장 특성에 미치는 오스테나이트 결정 립 크기의 영향을 알아보았다. 오스테나이트 결정립 크 기가 다른 3 종류의 시편에 대하여 상온 인장 시험한 공칭 응력-변형률 곡선을 Fig. 3에 나타내었다. 인장 시 험 결과 오스테나이트 결정립 크기가 작아질수록 항복 및 인장 강도가 증가하였고, 동시에 연성도 증가하는 결 과를 나타내었다. 먼저 강도에 미치는 오스테나이트 결 정립 크기의 영향을 알아보기 위해 Fig. 4(a)에 오스테 나이트 결정립 크기에 따른 항복 및 인장 강도 변화를 다른 연구자들의 결과와 본 연구 결과를 비교하여 나타 내었다.32-35) 본 연구에서 제조된 시편들의 결과는 다른 연구자들의 결과와 동일하게 오스테나이트 결정립 크기 가 작아질수록 항복 및 인장 강도가 증가하는 경향을 나 타냈다. 이는 기계적 쌍정(mechanical twinning)의 형성 에 의한 결정립 미세화 효과로 오스테나이트계 고망간 강에서 흔히 설명되고 있는 dynamic Hall-Petch 효과로 설명될 수 있다.
Fig. 3.
Engineering stress-strain curves of annealed high-manganese steel specimens with different grain sizes. Tensile tests were performed at room temperature with a constant strain rate of 1.0 × 10−3s−1.
한편 오스테나이트 결정립 크기에 따른 강도 변화 결 과와 달리 본 연구에서 연성의 경우 다른 연구자들과의 결과와 상반된 결과를 나타내었다.32-35) Fig. 4(b)에서 볼 수 있듯이 본 연구에서는 오스테나이트 결정립 크기가 커질수록 연성이 감소하는 결과를 나타내었다. Gutierrez- Urrutia 등은 Fe-22Mn-0.6C TWIP 강에서 결정립 크기 감소에 의해 기계적 쌍정 형성에 필요한 응력이 증가되 어 기계적 쌍정이 억제 된다고 보고하고 있으며, Ueji 등 은 Fe-31Mn-3Al-3Si TWIP 강에서 결정립 미세화에 의 해 기계적 쌍정 형성이 억제되는데 이는 비평면 전위 구 조의 성장에 의한 것으로 주장하였다.12,13) 또한 Kang 등 은 Fe-18Mn-0.6C-1.5Al TWIP 강에서 결정립 미세화에 의해 기계적 쌍정이 억제되고 연속 항복에서 불연속 항 복으로의 천이가 나타나는데 이는 기계적 쌍정 또는 마 르텐사이트 변태 때문이 아니라 부족한 가동전위 때문 으로 설명하고 있다.14) 따라서 본 연구에서 나타난 결과 를 보다 자세히 분석하기 위해 Fig. 5에 진응력-변형률 곡선 및 가공경화 속도 변화를 나타내었다. Fig. 5를 살 펴보면, GS3 시편의 경우 다른 시편들과 전혀 다른 가 공경화 거동이 나타났으며 소성불안정 조건에 도달하기 전에 파괴가 일어났다. 이는 인장 시험시 발생하는 기 계적 쌍정 및 변형 유기 마르텐사이트 변태 등의 변형 조직이 오스테나이트 결정립 크기 변화에 따른 가공경 화 거동에 영향을 주기 때문으로 생각된다.
Fig. 5.
True stress-strain curves and strain hardening rate curves of the high-mangange steel specimens with diffrent austenite grain sizes.
본 연구에서 제조된 시편들의 SFE는 23.4~27.1 mJ/m2 로 일반적으로 오스테나이트계 고망간강에서 보고되고 있 는 기계적 쌍정이 발생하는 범위(20~40 mJ/m2) 내에 존 재한다. GS3 시편의 가공경화 거동 결과를 볼 때, 인장 시험시 기계적 쌍정에 의한 가공경화가 아닌 변형 유기 마르텐사이트 변태에 의한 가공경화 효과가 나타난 것 으로 생각된다. 이때 GS3 시편의 가공경화 속도가 GS1, GS2 시편에 비해 상대적으로 작은 것은 GS1과 GS2 시 편의 경우 인장 시험시 발생하는 기계적 쌍정에 의한 가 공경화와 더불어 결정립 미세화에 의한 가공경화의 복 합적인 영향 때문으로 판단된다. 인장 시험시 발생하는 변형 조직을 관찰하기 위해 인장 시험 후 파괴된 시편 을 광학현미경을 통해 관찰하여 Fig. 6에 나타내었다. 모 든 시편에서 오스테나이트 결정립 내에 변형 조직이 나 타난 것을 확인할 수 있는데 GS3 시편의 경우 마르텐 사이트의 조직, GS1과 GS2 시편의 경우에는 기계적 쌍 정이 변형 조직으로 형성 된 것으로 판단되지만, 광학 현미경 관찰 결과로는 오스테나이트 결정립 내에 발생 한 변형 조직의 형상이 비슷하기 때문에 정확히 구분하 기 어려웠다. 따라서 EBSD 분석을 통해 인장 시험시 발 생하는 변형 조직을 확인하였다. GS3 시편에 대한 EBSD 결과를 Fig. 7에 나타내었는데 오스테나이트 조직과 함 께 마르텐사이트 조직이 관찰되는 것으로 보아 인장 시 험시 변형 유기 마르텐사이트 변태가 발생한 것으로 판 단된다. 이는 이전 여러 연구자들에 의해 보고된 내용 으로도 설명될 수 있는데, 첫째로 결정립 크기 증가로 인한 SFE 감소에 의해 변형 유기 마르텐사이트 변태가 쉽게 발생하기 때문이다. 둘째로 오스테나이트 결정립 크 기가 커지면 변형 유기 마르텐사이트 변태에 필요한 전 단 응력이 기계적 쌍정 형성에 필요한 전단 응력보다 감 소되어 GS3 시편에서 인장 시험시 변형 유기 마르텐사 이트 변태가 발생한 것으로도 생각할 수 있다.10,36)
Fig. 6.
Optical micrographs showing deformed microsctures of the (a) GS1, (b) GS2, and (c) GS3 steel specimens after tensile test.
Fig. 7.
EBSD phase map showng deformed microstructures of the GS3 specimen after tensile test at room temperature.
인장 시험 후 파괴된 시편의 파면을 SEM을 통해 관 찰하여 Fig. 8에 나타내었다. GS1과 GS2 시편의 경우 딤플(dimple)들이 잘 발달된 전형적인 연성 파면을 나타 낸 반면, GS3 시편의 경우 딤플과 동시에 유사 벽개 (quasi-cleavage) 형태의 파면이 나타났다. 이러한 유사 벽 개 파면의 생성은 1차, 2차 마르텐사이트 교차점 또는 쌍정과 마르텐사이트 교차점에서 발생한 균열에 의해 발 생되는 것으로 보고된다.37,38) 따라서 본 연구결과에서 오 스테나이트 결정립 크기 조대화에 의해 발생된 취성 파 괴 형태의 파면들은 변형 유기 마르텐사이트에 의한 것 으로 판단된다. 이를 통해 오스테나이트 결정립 크기의 증가는 변형 조직의 차이를 일으키며, 이는 최종적인 파 괴 형태에 영향을 준 것으로 확인할 수 있었다.
4 결 론
본 연구에서는 Fe-24.5Mn-4Cr-0.45C 조성을 갖는 오 스테나이트계 고망간강에 대하여 어닐링 온도 및 시간 을 변화시킨 후 결정립 크기가 다른 3 종류의 시편을 제조하고, 상온 인장 시험을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 수정된 열역학적 모델에 의한 SFE 계산 결과 오 스테나이트 결정립 크기가 증가할수록 SFE가 감소하는 결과가 나타났지만, 그 값은 23.4~27.1 mJ/m2로 크게 변 하지 않았다.
2) 어닐링 온도 및 시간이 증가함에 따라 오스테나이 트 결정립 크기가 증가하는데 상온 인장 시험 결과 결 정립 크기가 감소할수록 항복 및 인장 강도가 증가하였 고 동시에 연성도 증가하는 결과를 나타내었다.
3) 항복 및 인장 강도에 미치는 결정립 크기 영향의 경우 결정립이 미세할수록 강도가 크게 증가하는데 이 는 결정립 미세화에 의한 강화 효과와 동시에 인장 시 험시 발생하는 기계적 쌍정에 의한 강화 효과가 부가적 으로 작용하기 때문이다.
4) 연성의 경우 결정립 크기가 증가함에 따라 감소되 는 경향을 나타내는데 이는 결정립 크기 조대화로 발생 된 변형 유기 마르텐사이트 변태가 연성을 감소시키기 때문이다.
5) 오스테나이트 결정립 크기가 큰 고망간강에서 발생 된 변형 유기 마르텐사이트는 결정립 크기 증가로 인한 SFE의 감소 또는 변형 유기 마르텐사이트 변태에 필요 한 전단 응력의 감소로 설명될 수 있다.
