극저온용 고망간강의 충격 인성에 대한 Ni, Cu 첨가의 영향

Abstract

본 연구에서는 오스테나이트계 고망간강의 극저온 충격 성질에 대한 니켈과 구리 첨가의 영향을 살펴보았다. 오스테나이트계 고망간강은 극저온에서 우수한 강도 및 충격 인성으로 액화천연가스의 운송 및 저장용 재료로 각광받고 있다. 또한 온도, 조성에 따른 다양한 적층 결함 에너지 (Stacking Fault Energy, SFE)로 다양한 변형기구를 나타낸다. 극저온에서는 상온보다 약 30~60% 낮은 SFE로 주로 쌍정유기소성 (Twin Induced Plasticity, TWIP)과 변태유기소성 (Trip Induced Plasticity, TRIP) 등이 발생한다. 충격 인성의 경우 주로 샤르피 충격시험을 통해 그 척도를 보증한다. 샤르피 충격시험의 경우 동적 변형 하에서 이루어지므로 샤르피 충격시험 시편의 노치 팁 부근의 분석이 이루어져야 한다. 즉, 극저온에서 충격 인성 확보를 위해서는 미세조직, SFE의 변화에 따른 동적 변형 기구 분석이 필요하다. 또한 다양한 합금 원소에 따른 변형 기구의 영향을 살펴볼 필요가 있다. 니켈과 구리는 모두 오스테나이트 안정화 원소로 오스테나이트의 안정성을 높인다. 본 연구에서는 니켈과 구리의 첨가에 따른 오스테나이트계 고망간강의 동적 압축 변형에 따른 미세조직을 분석하였고 이를 통해 충격 인성과의 상관관계를 분석하고자 하였다.

Recently, greenhouse gas reduction and natural gas use is spotlighted and the North American shale gas industry is activated with interest of energy saving. In this regard, materials for transportation and storage of liquefied natural gas (LNG) are spotlighted. Austenitic stainless steels, 9% Ni alloys, and Ni-based Invar alloys are used for LNG pipe material. However, these materials contain a large amount of Ni, which is expensive and there are disadvantages in welding. Therefore, high-Mn steel with low price and excellent strength, ductility and toughness combination has been developed and used. High-Mn steel has various deformation mechanisms with stacking fault energy (SFE) by composition and temperature. Thus, alloy design with sufficient SFE and austenitic stability has been performed to ensure high impact toughness at cryogenic temperature. In this study, the Charpy impact toughness of austenitic steel with 22wt%Mn and 1wt%Al was analyzed. Mn, Cr, Ni, Cu, Si, and Al are used as the solid solution strengthening elements that can be considered as the third added element. Among them, the effect of the elements other than Mn and Al on impact toughness in high-Mn steel is hardly known. The Charpy impact properties of three steels, whose nominal compositions is 22Mn-0.45C-1Al, 22Mn-0.45C-1Al-1Ni, and 22Mn-0.45C-1Al-1Cu (wt.%), were evaluated at room and cryogenic temperature. In order to analyze the effect of Ni and Cu addition which is austenite stabilizer, tensile tests were performed at room and cryogenic temperature. Since a plastic deformation zone formed near notch tip of impacted specimen is very small to analyze deformation behavior, dynamic compressive tests were also conducted. The formation of -martensite was observed in all steels after dynamic compressed test. Microstructural observation of dynamic compressive specimen would suggest a good way to investigate effects of -martensite on Charpy energy and explain why the addition of Ni or Cu improves the Charpy impact energy.