니오븀 HSLA HAZ 인성

1400 °C에서 정점을 이루는 단일 용접 열 사이클은 열영향부의 구 오스테나이트 결정립을 조대화시키며, 그로 인해 남는 미세조직은 일반적으로 용접 조인트에서 가장 취약한 부분입니다. 본 연구는 11종의 실험용 C-Mn 강을 이러한 사이클 하나에 통과시키며, 세 가지 탄소 수준에 세 가지 니오븀 수준을 교차시키고 고정된 니오븀 함량에서 두 가지 망간 변형을 더한 뒤, 샤르피 결과를 미세조직의 두 가지 측정 특징인 결정립계 페라이트의 면적 분율과 마르텐사이트-오스테나이트 구성상의 면적 분율과 연관시킵니다. 본 연구가 보고하는 구분선은 약 6%의 결정립계 페라이트 분율입니다. 이 수치를 초과하면 취성 파괴는 결정립계 페라이트에서 시작되고, 그 이하에서는 파괴가 베이나이트 패킷의 교차점에서 시작됩니다.

하나의 용접 사이클에 대한 11종의 실험용 강

기본 조성은 일반 C-Mn 강입니다. 세 그룹은 1.5% 망간을 공유하며 0.05, 0.10 및 0.15% 탄소를 함유하고, 각 그룹 내에서 세 강은 0, 0.015 및 0.03% 니오븀을 함유합니다. 이로써 탄소당량은 0.30, 0.35 및 0.40이 됩니다. 추가로 두 강은 니오븀을 0.015%로 유지하고 망간을 대신 변화시켜, 하나는 2.1%, 다른 하나는 0.9%로 하여 망간의 효과를 니오븀의 효과로부터 분리합니다. 탄소당량은 질량 퍼센트로 C + Si/24 + Mn/6 + Ni/40 + Cr/4 + V/14로 계산됩니다.

강종	C	Si	Mn	P	S	Al	Nb	N	Ceq
KT1	0.05	0.2	1.5	0.01	0.005	0.03	0	0.003	0.3
KT2	0.05	0.2	1.5	0.01	0.005	0.03	0.015	0.003	0.3
KT3	0.05	0.2	1.5	0.01	0.005	0.02	0.03	0.003	0.3
KT4	0.1	0.2	1.5	0.01	0.005	0.02	0	0.003	0.35
KT5	0.1	0.2	1.5	0.01	0.005	0.02	0.015	0.003	0.35
KT6	0.1	0.2	1.5	0.01	0.005	0.02	0.03	0.003	0.35
KT7	0.15	0.2	1.5	0.01	0.005	0.03	0	0.003	0.4
KT8	0.15	0.2	1.5	0.01	0.005	0.02	0.015	0.003	0.4
KT9	0.15	0.2	1.5	0.01	0.005	0.02	0.03	0.003	0.4
KT10	0.05	0.2	2.1	0.01	0.005	0.02	0.015	0.003	0.4
KT11	0.15	0.2	0.9	0.01	0.005	0.02	0.015	0.003	0.3

출처: 원문 장의 표 1 (PDF 99페이지). 11종 강의 질량 퍼센트 화학 조성과 해당 장에 인쇄된 공식으로 계산한 탄소당량. 모든 히트의 잔량은 철입니다.

사이클은 평균이 아닌 최악의 경우를 만들도록 선택되었으며, 1400 °C의 정점 온도를 갖는 단일 패스는 고입열 조대립 HAZ를 나타냅니다. 가열은 초당 50 °C로 정점까지 진행되고, 유지는 10초간 지속되며, 냉각은 1400~800 °C 사이에서 초당 20 K, 그 후 800 °C 이하에서 초당 2 K입니다. 샤르피 시편은 10 x 10 x 55 mm이며 노치는 시편 중심의 균일한 미세조직에 위치시키고, 0, -20 및 -40 °C에서 파단하여 천이 곡선을 작성했습니다. 금속조직 관찰에는 2% 나이탈과 르 페라 에칭을 사용했고, 거시 경도는 10 kg 하중, 미세 경도는 10 g 하중으로 측정했으며, 니오븀 탄화물 석출의 구동력은 Thermo-Calc로 계산했습니다.

사이클이 남길 수 있는 세 가지 미세조직

모든 모의 시편은 조대립이며, 저니오븀 조건에서는 구 오스테나이트 결정립계에 결정립계 페라이트가, 결정립 내부에 침상 페라이트가 존재합니다. 니오븀을 첨가하면 알로트리오모르픽 페라이트 층이 축소되고 위드만스테텐 페라이트가 결정립내 침상 페라이트로 대체되며, 0.03% 니오븀에서는 침상 페라이트 자체가 라스 구조로 대체됩니다. 고정된 니오븀 함량에서 탄소를 높이면 동일한 현상이 일어나므로, 두 첨가는 변태 생성물에 같은 방향으로 작용합니다.

해당 장은 11개 결과를 세 범주로 분류합니다. 범주 I은 넓은 면적의 결정립계 페라이트, 위드만스테텐 페라이트 및 소량의 펄라이트를 갖는 기본 강입니다. 범주 II는 얇은 결정립계 페라이트 층과 결정립내 침상 페라이트이며, 니오븀 무첨가 중탄소 및 고탄소 강과 중니오븀의 저탄소 강을 포함합니다. 범주 III은 매우 얇고 불연속적인 경계층을 갖는 베이나이트 라스 구조이며, 니오븀을 함유한 중탄소당량 및 고탄소당량과 고니오븀의 저탄소 강을 포함합니다. 이 페이지의 나머지 부분에서 중요한 점은 범주 III에서 모든 결정립계가 페라이트로 덮이지는 않으며, 이러한 불연속성이 균열이 시작되는 위치를 바꾼다는 것입니다.

니오븀은 변태 온도를 낮춥니다

팽창 측정은 냉각 중 결정립계 페라이트가 형성되기 시작하는 온도를 기록하며, 세 탄소 그룹 모두에서 니오븀이 증가함에 따라 값이 감소합니다. 탄소당량 0.30에서 시작 온도는 니오븀 무첨가 시 740 °C, 0.015%에서 715 °C, 0.03%에서 700 °C입니다. 0.35에서는 세 값이 700, 670 및 660 °C이며, 0.40에서는 660, 640 및 630 °C입니다. 탄소는 동일한 양을 훨씬 더 큰 폭으로 낮추며, 0.30 그룹과 0.35 그룹 사이에서 약 40 °C입니다.

시작 온도가 낮다는 것은 페라이트 핵생성이 지연되고 강이 베이나이트가 형성되는 온도 범위에서 더 오래 머문다는 것을 의미하며, 이는 바로 위에서 설명한 미세조직 변화입니다. 실질적인 결과는 HAZ 내 니오븀이 모재에서의 통상적인 역할인 결정립 미세화를 통해서만 작용하는 것이 아니라, 그렇지 않으면 모든 구 오스테나이트 결정립계를 덮을 폴리고널 페라이트를 억제함으로써도 작용한다는 것입니다.

결정립계 페라이트와 마르텐사이트-오스테나이트 분율

면적 분율은 르 페라 에칭 시편에서 측정되었으며, 두 특징은 니오븀에 따라 반대 방향으로 변화합니다. 결정립계 페라이트는 저탄소 그룹에서 니오븀에 따라 급격히 감소하고 중탄소 및 고탄소 그룹에서는 약간만 감소하는데, 해당 장은 이를 니오븀 탄화물 석출이 경계로 편석되기 전에 니오븀의 대부분을 소모하기 때문으로 설명합니다. 탄소당량 내에서 망간이나 탄소를 변화시키는 것은 결정립계 페라이트 분율에 거의 영향을 미치지 않습니다.

해당 장 전체에서 MA로 불리는 마르텐사이트-오스테나이트 구성상은 저탄소 및 중탄소 강에서 니오븀에 따라 증가하고 고탄소 강에서는 증가하지 않으며, 그 이유는 동일합니다. 고정된 니오븀 함량에서 망간을 변화시키면 그 효과는 니오븀 효과보다 훨씬 큽니다. 2.1% 망간 및 탄소당량 0.40에서 MA 분율은 5%에 달해 계열 중 최고이며, 0.9% 망간 및 탄소당량 0.30에서는 MA가 전혀 발견되지 않았으며, 저자들은 이 결과를 15개 이상의 미세조직 사진에서 확인했습니다. 이 단일 비교는 어떤 원소가 MA를 지배하는지에 대한 해당 장에서 가장 명확한 진술입니다.

경도와 샤르피 천이 곡선

모의 HAZ의 경도는 위에서 설명한 페라이트에서 베이나이트로의 변화와 함께 탄소와 니오븀 모두에 따라 증가합니다. 천이 거동은 경도보다 강들을 더 뚜렷하게 구분합니다. 가장 낮은 천이 온도는 니오븀 무첨가 중탄소 강인 KT4에 속합니다. 0.015% 니오븀의 저탄소 강인 KT2가 그 다음이며, 저망간 고탄소 강인 KT11이 그 뒤를 잇습니다. 이 세 강은 결정립계 페라이트와 침상 페라이트의 미세조직을 공유하며 경도와 결정립 크기가 매우 유사하여, 해당 장에서 침상 페라이트가 더 나은 인성을 갖는 것으로 평가되는 이유입니다.

가장 나쁜 두 곡선은 탄소당량 0.40의 최고치에 있는 두 강인 KT8과 KT10에 속합니다. KT10은 계열 중 가장 높은 MA 분율을, KT8은 가장 낮은 것 중 하나를 갖지만, 그들의 천이 곡선은 거의 겹칩니다. 저자들은 천이 온도가 MA 분율이 아니라 미세조직 특징에 의해 결정된다는 결론을 직접 도출하며, 이는 이 분야의 이전 연구가 의견을 달리했던 점입니다.

취성 파괴가 시작되는 위치와 6% 규칙

모든 강에 대해 파단면을 조사하고 개시 위치를 그 지점의 미세조직과 대조하여 분류했습니다. 세 범주가 나왔습니다. 기본 강은 구 오스테나이트 경계 근처의 재생 펄라이트 콜로니에서 파단되고, 결정립계 페라이트 면적이 상대적으로 큰 강은 그 페라이트 내부에서 파단됩니다. 결정립계 페라이트가 얇고 불연속적인 경우 파괴는 서로 다른 방위를 갖는 베이나이트 패킷의 교차점에서 시작되어 패킷을 통해 전파됩니다. 파괴 단위는 -40 °C 시편에서 측정되었으며 모든 강에서 약 90 µm로 나타나, 니오븀은 이 수준에서 벽개 단위의 크기를 변화시키지 않습니다.

강종	C %	Ceq	Nb %	결정립 크기, µm	미세구조	G.B. 페라이트 %	MA %	개시점
저 C, 유리 Nb	0.05	0.3	0	348	위드만스테텐 페라이트 및 결정립계 페라이트와 소량의 펄라이트	14	0.2	결정립계 근처의 재생 펄라이트
저 C, Nb	0.05	0.3	0.03	207	래스 조직	5	1	베이나이트 패킷의 교차부
중 C, 유리 Nb	0.1	0.35	0	336	결정립계 페라이트 및 위드만스테텐 페라이트와 침상 페라이트	6	0.5	결정립계에서
중 C, Nb	0.1	0.35	0.03	248	래스 조직	2	2	베이나이트 패킷의 교차부
고 C, 유리 Nb	0.15	0.4	0	342	결정립계 페라이트 및 위드만스테텐 페라이트와 침상 페라이트	6	0.5	결정립계에서
고 C, Nb	0.15	0.4	0.03	230	래스 조직	1.8	1	베이나이트 패킷의 교차부
저 C, 고 Mn	0.05	0.4	0.015	236	래스 조직	2.5	5	베이나이트 패킷의 교차부
고 C, 저 Mn	0.15	0.3	0.015	330	결정립계 페라이트 및 위드만스테텐 페라이트와 침상 페라이트	6	0	결정립계에서

출처, 원문 2장의 표 2(PDF 113쪽). 결정립 크기, 미세조직, 결정립계 페라이트 분율, MA 분율, 그리고 영하 40 °C에서 파단된 시편에서 관찰된 개시점.

표를 조성보다 입계 페라이트 분율로 읽으면 명확히 구분된다. 6% 이상인 모든 강은 입계 페라이트 또는 그 옆의 펄라이트에서 파단되었고, 6% 미만인 모든 강은 패킷 교차부에서 파단되었다. 챕터에서 제시하는 물리적 이유는 경도 차이로, 입계 페라이트는 결정립 내부보다 약 100 HV 낮기 때문에 연속적인 입계층이 응력을 집중시켜 그곳에서 균열이 발생한다. 6% 미만에서는 이 층이 모든 결정립을 덮지 못하고, 기지는 대부분 래스 방향으로 정렬된 MA를 가진 베이나이트이며, 응력 집중은 패킷 경계로 이동한다.

챕터는 6%라는 수치가 어디까지 적용될 수 있는지에 주의한다. 입계 페라이트 분율은 조성, 열 사이클 및 이전 오스테나이트 결정립 크기에 따라 달라지므로, 이 수치는 이 열 사이클 하의 이 강종군에 대한 기준이며 모든 HSLA 등급에 대한 보편적 임계값은 아니다.

망간이 MA 분율을 결정하는 이유

제안된 메커니즘은 입계 페라이트가 성장하면서 탄소와 합금 원소를 전방의 오스테나이트로 배출하여 페라이트와 베이나이트 사이의 영역이 농화되고, 추가 냉각 시 일부가 MA로 변태한다는 것이다. 시뮬레이션 시편에 대한 전자 마이크로프로브 선 스캔은 이 농화를 확인한다. 탄소와 망간 모두 편석되며, 2.1% 망간강에서는 망간이 탄소보다 더 강하게 편석된다.

0.9% 망간강은 이 메커니즘의 검증이다. 입계에서 명확한 탄소 농화를 보이지만 망간 편석은 약하며, MA를 전혀 함유하지 않는다. 따라서 저자들은 탄소 농화와 합금 원소 편석이라는 두 조건이 동시에 필요하다고 보고, 니오븀 자체는 0.015%에서 측정 가능한 편석을 보이지 않았으며 이는 프로브가 분해하기에 너무 낮은 수준이라고 언급한다. 이는 망간 변종이 동일 수준의 니오븀 첨가보다 MA 분율을 더 크게 변화시키는 이유와, 2.1% 망간강이 시리즈에서 최고 MA 분율인 5%에 도달한 반면 1.5% 망간 기본강은 0.2%인 이유를 설명한다.

강재 주문에 대한 시사점

이 결과는 용접부 인성이 요구사항일 때 HSLA 후판 구매자가 요구해야 할 세 가지 수치를 제시한다. 첫째는 탄소당량으로, 변태 온도와 조립역 HAZ의 베이나이트 양을 모두 결정한다. 둘째는 해당 탄소당량에 대한 망간 수준으로, 망간은 MA 형성 여부를 결정하는 원소이다. 셋째는 모재 결과가 아닌 최저 사용 온도에서의 시뮬레이션 HAZ 샤르피 결과로, 모재 특성은 용접부 옆 조립역에 대해 아무것도 말해주지 않는다.

1.5% 망간에서 0.015~0.03%의 니오븀은 본 연구에서 입계 페라이트가 6% 미만인 미세 베이나이트 조직을 생성한 조건이며, 해당 강들은 입계를 따라가 아닌 패킷 교차부에서 파단되었다. 2.1% 망간에서 동일한 니오븀 첨가는 최고 MA 분율과 두 개의 최악 전이 곡선 중 하나를 생성했으므로, 니오븀 단독으로는 인성 첨가 원소가 아니다. 니오븀과 티타늄이 모재에서 강도를 높이는 야금학적 배경은 다음을 참조하십시오 미세합금강 강화 메커니즘, 그리고 이 실험 용강의 조성이 모델로 삼은 스트립 등급은 다음을 참조하십시오 미세합금 스트립강 조성. 동일 등급 저합금강의 템퍼링 거동은 다음에서 다룹니다 저합금강 템퍼링 동역학.

출처: Alloy Steel, Properties and Use, InTech, 2011, Chapter 4, Tables 1 and 2 and Figures 1, 4, 8, 12 and 16 (PDF 99~113페이지), CC BY 3.0 라이선스. 이 챕터는 인용한 참고문헌에서 원래 발표된 연구를 보고한다. 이 페이지의 모든 표와 그림은 출처 PDF에서 300 dpi로 렌더링하여 위 텍스트를 작성하기 전에 셀 단위로 판독했으며, 수치는 출처 텍스트 레이어와 대조 확인하였고 둘이 다를 경우 렌더링된 이미지를 기준으로 삼았다. 이 페이지는 발표된 연구의 참고 요약이며 Aobo Steel의 사양이 아니므로, 수치를 공정 시트에 기재하기 전에 등급과 용접 절차를 확인하십시오.