미세합금강 강화 메커니즘

미세합금화란 저탄소강에 니오븀, 티타늄 또는 바나듐을 수백분의 일 퍼센트 첨가하는 것을 의미하며, 이는 일반적인 열연 스트립이 담금질 처리 없이도 500 MPa 이상의 항복강도에 도달할 수 있는 이유입니다. 이러한 첨가 원소는 탄질화물을 형성함으로써 작용하며, 그 입자들은 두 가지 서로 다른 방식으로 항복강도를 높입니다. 이들은 열간 압연 중 오스테나이트 결정립계를 고정시켜 페라이트 결정립이 더 작게 완성되도록 하고, 상변태 후 강에 남은 입자들은 이동하는 전위가 우회해야 하는 장애물로 작용합니다. 이 페이지는 Pickering과 Gladman의 조직-물성 관계를 기준선으로 사용하여, 상용 열연 스트립 미세합금강에서 이 두 가지 효과가 어떻게 분리되고 측정되는지를 설명합니다. 동일한 강의 화학 조성과 압연 스케줄은 다음에 정리되어 있습니다: 미세합금 스트립강 조성 페이지.

저탄소강의 기초 강도

석출 강화에 관한 모든 논의는 기준선, 즉 동일한 화학 조성을 가진 강이 탄질화물을 전혀 포함하지 않을 경우 가질 항복강도에서 시작합니다. Pickering과 Gladman이 발표한 관계식은 화학 조성과 페라이트 결정립 크기만으로 그 값을 제공하며, 1970년대 이후 미세합금 열연 스트립에 사용되어 왔습니다.

σ_y (MPa) = 15.4 [ 3.5 + 2.1 (%Mn) + 5.4 (%Si) + 23 (%N_f) + 1.13 d^-1/2 ]

(%Mn), (%Si) 및 (%N_f) 항은 페라이트에 고용된 망간, 규소 및 유리 질소의 중량 퍼센트이며, d는 밀리미터 단위의 페라이트 결정립 크기입니다. 유리 질소의 양은 정확히 파악하기 어려운 항인데, 미세합금강의 질소 대부분이 이미 탄질화물 입자에 의해 흡수되었기 때문이며, 아래의 니오븀강의 경우 0.0025 wt%로 계산되었습니다. 인장 시험에서 측정된 항복강도에서 계산된 기초 값을 빼면 다른 메커니즘으로 설명해야 하는 강도 부분이 남으며, 이것이 이 페이지의 나머지 부분에서 다루는 수치입니다.

Nb강의 처리	페라이트 결정립 크기 (µm)	계산된 항복강도 (MPa)	측정된 항복강도 (MPa)	추가 강화 (MPa)
권취	10.0	252	310	58
노멀라이징	10.0	252	312	60

출처, 출처 장의 표 1. 위 방정식의 항복강도 예측값과 니오븀 미세합금강의 인장시험 결과 간 비교. 노멀라이징은 900 °C에서 30분간 실시하였다.

니오븀강은 노멀라이징 처리 후에도 강도를 거의 정확히 유지하여, 처리 전 310 MPa에서 처리 후 312 MPa를 나타냈습니다. 이러한 거동 자체가 발견점입니다. 권취 중 페라이트에 석출된 매우 미세한 탄질화물은 900 °C에서 30분간 유지하는 동안 성장하고 정합성을 잃어 항복강도가 함께 감소했을 것입니다. 그러나 그렇지 않았으므로, 이 강의 페라이트에는 그러한 석출이 없었으며, 추가 강도는 더 일찍 오스테나이트에서 형성된 입자에서 비롯되어야 하며, 그 입자들은 유지 처리에도 대부분 그대로 남습니다.

추가 강도를 설명하는 두 방정식

탄질화물 입자는 전위가 입자 사이에서 우회하도록 강제함으로써 항복강도를 높이며, Orowan 및 Ashby 모델은 이를 입자가 강에서 차지하는 부피 비율과 입자 크기의 함수로 표현합니다.

Δσ = [ 10.8 f^1/2 / D ] ln (1630 D)

여기서 Δσ는 MPa 단위의 석출 강화 증가분, f는 석출물 부피 분율, D는 마이크로미터 단위의 평균 입자 직경입니다. 부피 분율 항은 강화가 f의 제곱근에만 비례한다는 점에서 약한 반면, 직경 항은 강하므로 입자를 조대화하는 것이 강도를 잃는 더 빠른 방법입니다. 위의 니오븀강에서 오스테나이트 석출에 적용하면 이 방정식은 약 65 MPa를 반환하며, 이는 인장 시험에서 설명되지 않은 58~60 MPa와 일치합니다.

상변태에 의해 도입된 전위는 두 번째 방정식을 통해 기여하며, 초기 문헌에서는 이를 Keh에 귀속시킵니다.

Δσ = mαμbρ^1/2

m 항은 다결정에 대한 Taylor 인자, α는 전위 상호작용 유형에 따라 달라지는 기하학적 인자, μ는 전단 탄성계수로 페라이트의 경우 82,300 MPa, b는 전위의 Burgers 벡터로 페라이트에서 0.25 nm, ρ는 측정된 전위 밀도입니다. mα 값으로는 중간값인 0.4가 사용됩니다. 니오븀강의 경우 측정된 전위 밀도는 약 10⁸ 센티미터^-2으로 약 8 MPa를 반환하며, 이는 58 MPa의 석출 강화에 비해 무시할 수 있을 정도로 작습니다. 이 강에서는 조사한 20개 결정립 중 2개에서만 조대한 규모로 상간 석출이 발견되었으므로, 전체 강도에 대한 기여도 마찬가지로 무시할 수 있었습니다.

오스테나이트에서 형성되는 탄질화물 석출

이 강들의 강도를 담당하는 입자는 변태 후 형성되는 입자가 아닙니다. 이들은 오스테나이트가 아직 변형되는 동안 오스테나이트에서 핵생성하여 변형 아구조의 경계를 장식하게 됩니다. 니오븀강에 대한 전자 회절 분석은 탄질화물이 페라이트가 아닌 오스테나이트에서 형성되었음을 확인했습니다.

분포는 균일하지 않습니다. 입자들은 결정립 전체에 고르게 퍼지기보다 시트 형태와 경계를 따라 위치하는데, 이는 오스테나이트 아구조가 핵생성 장소를 제공한 곳이기 때문입니다. 이러한 종류의 입자 분포는 강도를 예측하기 위해 부피 분율뿐만 아니라 평균 입자 직경도 측정해야 하는 수치로 만듭니다.

NbTi 미세합금 열연 스트립강

니오븀과 티타늄으로 동시에 미세합금화된 두 번째 상용 열연 스트립강을 동일한 방식으로 연구한 결과 훨씬 더 높은 항복강도에 도달했습니다. 이 강의 화학 조성과 압연 스케줄은 아래에 제시되어 있습니다. 두 표 모두 뒤따르는 항복강도 수치와 동일한 연구에서 가져온 것입니다.

이 강은 0.12 wt% 탄소와 1.21 wt% 망간을 함유하며, 이는 열연 스트립 밀에서 일반적으로 압연되는 범위의 상한에 해당하고, 미세합금 첨가 원소로 0.057 wt% 니오븀과 0.059 wt% 티타늄을 포함합니다.

강종	C	Mn	Si	P	S	Al	Nb	Ti	N
NbTi	0.12	1.21	0.33	0.023	0.008	0.048	0.057	0.059	0.008

출처: 출처 장의 표 2. 열연 스트립 NbTi 강의 화학 조성(중량 퍼센트).

압연 스케줄은 화학 조성만큼 중요합니다. 슬래브는 니오븀과 티타늄 탄질화물이 다시 고용되도록 1150 °C에서 유지되었고, 마무리 압연은 1079 °C에서 시작하여 870 °C에서 종료되었으며, 이는 반복 재결정에 의해 오스테나이트를 미세화하는 스케줄 부분이고, 스트립은 이후 초당 10 °C로 냉각되어 650 °C에서 권취되었습니다.

강종	유지 온도 (°C)	마무리 압연 시작 (°C)	마무리 압연 종료 온도 (°C)	냉각 속도 (°C/s)	권취 온도 (°C)	최종 두께 (mm)
NbTi	1150	1079	870	10	650	7

출처: 출처 장의 표 3. 산업용 열연 스트립 압연 스케줄의 공정 파라미터. 출처에서는 동일한 패스 시퀀스에 대해 마무리 압연 온도를 시작값과 종료값으로 표기한다.

NbTi 강의 항복 강도는 각 조건에서 5회 인장 시험의 평균으로 측정되었다. 조성과 페라이트 결정립 크기로부터 계산된 기본값을 빼면 권취 상태 스트립에서 177 MPa의 추가 강화가 남으며, 노멀라이징 후에는 69 MPa로 감소한다. 이 감소는 실제 석출 기여의 특징이다. 니오븀 강이 노멀라이징 중 아무것도 잃지 않은 반면, NbTi 강은 추가 강도의 108 MPa를 잃었고, 그 하락 수준인 69 MPa는 니오븀 강이 두 조건 모두에서 유지하는 58~60 MPa에 가깝다. 900 °C 소킹을 견디는 입자는 오스테나이트에서 형성된 것이며, 이들이 잔존 강도를 설명한다.

NbTi 강의 처리	페라이트 결정립 크기 (µm)	계산된 항복강도 (MPa)	측정된 항복강도 (MPa)	추가 강화 (MPa)
권취	5.0	367	534	177
노멀라이징	5.5	357	426	69

출처: 출처 장의 표 4. 조성 및 결정립 크기 방정식에 의한 항복 강도 예측과 NbTi 강의 인장 시험 결과 비교.

열 형태의 계면 석출

NbTi 강은 니오븀 강에는 없는 두 번째 석출 모드를 갖는다. 오스테나이트가 페라이트로 변태할 때 두 상 사이의 계면이 오스테나이트를 통해 이동하고, 탄질화물이 그 이동 계면에서 핵생성되어 페라이트의 성장에 따라 간격이 정해지는 시트 형태로 배열된다. 그 결과 미세 입자의 평행한 열로 이루어진 미세조직이 형성되며, 이는 오스테나이트 아구조상의 석출보다 훨씬 미세하다.

두 미세조직 사진은 동일한 현상을 서로 다른 두 스케일로 나타낸 것이며, 그 차이가 실질적인 요점이다. NbTi 강에서는 줄 간격이 충분히 좁아 줄 사이의 입자들이 전위 이동에 실질적인 장애물이 되므로, 이 기구는 발생하는 결정립의 강도에 기여한다. 그 부피 분율은 3.5 x 10^-4 NbTi-2 강에서, 4.9 x 10^-4 니오븀 강에서, 7.8 x 10^-4 NbTi-3 강에서 측정되었으며, 모두 오스테나이트 석출과 동일한 자릿수이고 모두 충분히 작아서 화학 조성으로 추정하는 것이 아니라 전자현미경으로 측정해야 한다.

계면 석출은 모든 페라이트 결정립에서 발생하지 않습니다. 일부 결정립에서만 발견되며, 이 때문에 전체 시편의 항복강도에 대한 기여도는 혼합 법칙에 의해 감소되어야 합니다. 이러한 불균일성이 단순한 체적 분율 계산에서 이 메커니즘을 과대평가하기 쉬운 이유이며, 개별 결정립의 미세경도가 이를 해결하는 측정값인 이유입니다.

강 NbTi-3에서의 기여도 분리

출처 챕터에서 가장 상세한 설명은 세 번째 강인 NbTi-3를 두 조건 모두에 걸쳐 추적하며 추가 강도에 대한 모든 기여도를 분리합니다. 측정값은 아래에 출처에서 보고한 단위로 제시되며, 입자 직경은 나노미터, 체적 분율은 10의 단위로 표시됩니다^-4.

시편 조건	입자 기원	D (nm)	f, x 10-4	Δσ (MPa)	ρ (cm-2)	Δσ (MPa)
Orowan 및 Ashby 방정식에 의한 석출 강화, Keh 방정식에 의한 전위 강화
코일링 후 압연 상태	Austenite	7.2	6.2	92	5.2 x 109	64
	계면	4.0	5.0	112
	합계	5.2	11.2	145
노멀라이징 후	Austenite	12.0	6.9	70	108	<10
	합계	11.0	13.0	102

출처: 출처 장의 표 9. 강 NbTi-3의 미세조직 강화 기여도. 빈 셀은 출처에서 비워 둔 셀로, 해당 행에 항목이 적용되지 않음을 의미한다.

표를 열별로 읽으십시오. 코일링 상태에서 오스테나이트 입자는 직경 7.2 nm, 체적 분율 6.2 x 10^-4 으로 92 MPa, 계면 입자는 4.0 nm 및 5.0 x 10^-4 으로 112 MPa, 전위 밀도 5.2 x 10⁹ 센티미터^-2 으로 64 MPa입니다. 석출 항의 합계는 두 값의 합인 204 MPa이 아닙니다. 145 MPa인데, 페라이트를 통과하는 전위는 전방의 입자가 오스테나이트에서 형성되었는지 계면 경계에서 형성되었는지 알 수 없으므로 두 입자 집단을 모두 완전히 계산할 수 없기 때문입니다. 출처는 국부 기여도를 145 대 204의 비율로 조정하여, 두 입자가 모두 존재하는 결정립에서 계면 모드를 약 79.5 MPa로, 오스테나이트 모드를 약 65.5 MPa로 낮춥니다.

이를 계면 석출이 NbTi-3의 페라이트 결정립 중 약 절반에서만 발생한다는 발견과 함께 고려하고 간단한 혼합 법칙을 적용하면 총 아구조 기여도는 0.5 (92 + 64) + 0.5 (145 + 64) = 182.5 MPa입니다. 이 강은 앞의 두 강과 동일한 계열에 속하므로 이 수치는 인장 시험과 대조하여 확인할 수 있습니다.

가공 조건	강종	페라이트 결정립 크기 (µm)	계산된 항복강도 (MPa)	측정된 항복강도 (MPa)	추가 강화 (MPa)
코일링 상태
	Nb	10.0	252	310	58
	NbTi-2	5.0	367	534	167
	NbTi-3	4.2	393	603	210
노멀라이징
	Nb	10.0	252	312	60
	NbTi-2	5.5	357	426	69
	NbTi-3	4.5	386	462	76

출처: 출처 장의 표 8. 권취 상태 및 노멀라이징 후 조건에서의 항복 강도와 조성 및 결정립 크기 방정식에 의한 추가 강화 기여도.

인장 시험은 코일 상태의 NbTi-3에서 210 MPa을 설명하지 못하며, 위의 혼합 법칙은 그 중 182.5 MPa을 설명한다. 두 수치는 출처가 일치를 합리적이라고 부를 만큼 충분히 가깝다. 계면 석출이 결코 일어나지 않는다고 가정하여 계산에서 제거하면, 아구조 기여도는 92 + 64 = 156 MPa로 떨어진다. 따라서 182.5와 156의 차이인 약 26.5 MPa는 계면 모드가 강재의 벌크 특성으로서 강도에 추가하는 전체 값이며, 국부적으로 그것이 존재하는 결정립에서는 훨씬 더 큰 가치를 지닌다.

개별 페라이트 결정립의 미세 경도

벌크 인장 시험은 페라이트 결정립이 모두 동일하지 않은 강재에 대해 하나의 수치를 반환하므로, 절반의 결정립에서 작동하는 메커니즘을 보여줄 수 없다. 개별 결정립에 대한 비커스 미세 경도는 이를 보여줄 수 있으며, 출처 챕터는 이를 사용하여 각 집단의 결정립 수를 센다.

코일 상태에서 두 NbTi 강 모두에 두 개의 별도 경도 피크가 나타나며, 분리는 NbTi-3에서 약 40 HV로 가장 넓다. 두 번째의 더 단단한 피크는 계면 석출을 지닌 페라이트 결정립 집단이다. 노멀라이징은 두 NbTi 강 모두에서 그 피크를 제거하는데, 이는 인장 시험이 기록한 것과 동일한 강도 손실이며, 또한 첫 번째 피크를 낮추는데, 이는 변태 전위의 손실이다. 왼쪽 하단 패널의 니오븀 강은 두 조건 모두에서 하나의 피크를 가지며 그 위치가 이동하지 않는데, 이는 어느 쪽이든 310~312 MPa을 유지한다는 발견과 일치한다.

두 번째 피크 아래의 결정립 비율은 혼합 법칙에서 사용할 분율을 제공한다. NbTi-3에서 이는 결정립의 53%이며, 그들에 대해 측정된 추가 강화는 평균 99 MPa이다. 동일한 결정립은 전자 현미경 관찰에 의해 약 79.5 MPa로 평가되었으므로, 국부 기여도에 대한 두 독립 측정은 약 20% 이내로 일치한다.

스트립 구매 시 이 분석이 의미하는 것

미세 합금 열연 스트립의 구매자 또는 지정자에게 세 가지가 따른다. 미세 합금 강의 항복 강도는 화학 조성만으로 설명되지 않으므로, Nb와 Ti를 나열한 제조사 증명서는 스트립이 실제로 가질 강도에 대해 아무것도 말하지 않는다. 강도를 제공하는 것은 화학 조성과 제어 압연 스케줄의 조합이며, 낮은 마무리 압연 온도와 빠른 냉각 없이 압연된 동일한 화학 조성은 기본 값으로 나온다. 추가 강도가 석출에 의해 생성되는 경우, 그것은 부분적으로 회복 가능하고 부분적으로 그렇지 않다. 스트립을 900 °C로 30분간 가열하면 과시효 상태로 돌아가며, NbTi 강의 계면 기여는 대부분 사라지는 반면 오스테나이트 석출은 살아남는다. 이 차이는 스트립 부품이 성형 후 노멀라이징될 때마다 중요하다. 왜냐하면 처리를 견디고 살아남는 강도는 표 8이 기록한 60~76 MPa이며, 스트립이 판매된 167~210 MPa이 아니기 때문이다.

이 챕터의 측정된 항복 강도는 일반 니오븀 강의 310 MPa에서 코일 상태의 NbTi-3의 603 MPa까지이며, 모두 0.15 wt% 미만의 탄소와 1.54 wt% 이하의 망간을 함유한 강재에 대한 것이다. 따라서 니오븀 첨가는 담금질 및 뜨임 등급이 필요로 할 합금 함량의 상당 부분을 대체하며, 이는 부품을 봉재나 판재가 아닌 스트립으로 만들 수 있는 경우 미세 합금 계열이 지정되는 이유이다. 부품을 봉재나 판재로 만들어야 하고 고온에서 작동하는 동안 경도를 유지해야 하는 경우, 담금질 및 뜨임 공구강이 정답이며, 주어진 등급이 주어진 단면에서 도달하는 경도는 다음에 제시되어 있다 공구강의 경화능과 단면 크기 페이지.

출처: Alloy Steel, Properties and Use, InTech, 2011.