Effect of microstructural parameters on hydrogen delayed fracture of high Mn steels

Abstract

High-Mn twinning-induced plasticity (TWIP) steel is currently attracting much interest in the automotive industry due to its excellent combinations of strength and ductility. Though of its excellent mechanical properties, delayed fracture frequently observed in some high-Mn steels restricts its wide application in the industry. It has well been documented that delayed static fracture is closely related to the hydrogen embrittlement. Hydrogen delayed fracture (HDF) came to the fore as a key issue to be solved for the application of high Mn steels. Although many efforts are being made to improve the HDF resistance of TWIP steels delayed failure mechanism is unclear. For this purpose, hydrogen delayed fracture on high Mn steel was investigated in the context of microstructural parameters, such as ε martensite, dislocation, texture, residual stress and deformation twins.Firstly, effects of ε martensite on HDF behavior of a high Mn steel was investigated. A Fe-15Mn-2Cr-0.6C steel containing various amount of ε martensite (0, 8, 60%) was prepared, and a series of electrochemical hydrogen pre-charging, slow strain rate tests, and thermal desorption spectrometry analyses was conducted to examine the hydrogen degradation behaviors. It was found that ε martensite provided many diffusible hydrogen trapping sites. Consequently, the notch fracture stress of the steel containing ε martensite decreased significantly as the diffusible hydrogen content increased. The activation energy for hydrogen detrapping from its trapping sites was also calculated by means of the thermal desorption spectroscopy analyses, ~22 kJ/mol for the γ/ε interfaces, which is lower than dislocations or γ grain boundaries of ~37 kJ/mol.Secondly, Fe-18Mn-0.6C steels containing various Al content (0 ~3.5% in wt) was studied in the context of hydrogen embrittlement. The roles of residual stress and texture on HDF were discussed. In the deformed state, Al-added TWIP steels exhibited much better delayed fracture resistance as compared to 0 Al steel, owing to the decrease of diffusible hydrogen trapping sites coupled with smaller residual stress and strong <111> and <100> textures.Another effort was made to fabricate high Mn steels in wire rods via cold caliber rolling (CCR), and their microstructure, mechanical properties, and HDF resistance were evaluated. CCR TWIP steels showed a better combination of strength and ductility than conventional bolt steels as a result of CCR inducing all possible <112> twins. The HDF resistance of CCR TWIP steels was excellent due to the inherently low hydrogen diffusivity of the FCC structure and the high density of non-diffusible hydrogen trapping sites (deformation twins).

온실가스 규제 등에 의한 환경문제와, 자원 고갈에 따른 원자재 가격 상승으로 인한 효율적 자원 활용에 대한 사회적 관심이 증가하고 있다. 이에 따라 고강도 및 고연성의 우수한 기계적 성질을 갖는 철강재료 개발에 대한 요구가 절실해지고 있다. 최근 개발된 고망간 TWIP (Twinning-induced Plasticity) 강은 전위와 쌍정을 동시에 변형기구로 활용하여 높은 가공경화율을 보이기 때문에 강도와 연신율이 매우 우수하고, 이에 따라 차세대 자동차용 소재로 각광받고 있다. 하지만, TWIP강의 소성변형 후에 발생하는 지연파괴 (delayed fracture) 는 TWIP강의 산업적 적용에 걸림돌이 되고 있다. 지연파괴는 강재 내부에 트랩된 수소에 의해서 취성파괴가 발생하는 것으로 알려져 있으나, 아직까지 TWIP강에서의 수소지연파괴 관련 연구가 부족하고, 지연파괴 메커니즘이 명쾌히 규명되지 않았다. 이러한 지연파괴 문제점을 극복하고 지연파괴 저항성 향상 방안을 제시하고자, 본 연구에서는 미세조직적 인자인 엡실론상, 전위, 집합조직 (결정립계), 잔류응력 그리고 쌍정의 역할에 관하여 연구하였다.먼저 엡실론상의 효과를 관찰하기 위해 Fe-15Mn-0.6C-2Cr 강재의 열처리를 통하여 오스테나이트 기지내에 0, 8, 60 %의 엡실론상을 갖는 강을 제조하였다. 엡실론 상의 양이 증가할수록 수소지연파괴 저항성은 감소하였다. 이는 높은 밀도로 형성된 엡실론/오스테나이트 상경계에 트랩된 수소가 수소취화를 야기시키기 때문인 것으로 알 수 있었으며, 상경계와 수소의 탈착 활성화에너지가 22 kJ/mol 로 매우 낮았기 때문인 것으로 알 수 있었다.다른 미세조직적 인자의 영향을 관찰하기 위해서 Fe-18Mn-0.6C-xAl (x=0, 1.5, 2.5, 3.5 중량%) 의 냉연소둔재를 다시 50% 냉간압연하여 변형을 가한 강재를 활용하여, 알루미늄 첨가에 따른 TWIP강의 수소지연파괴 저항성 변화를 관찰하였다. 그 결과 알루미늄 첨가강의 수소지연파괴 저항성이 우수함을 알 수 있었다. 알루미늄 첨가강에서는 적층결함에너지가 높아져 전위의 교차슬립 (cross slip) 이 용이하여 전위 밀도가 낮았다. 반면에 알루미늄이 첨가되지 않은 강재는 평면슬립 (planar slip) 으로 인하여 밴드 형태의 전위 띠를 형성하였다. 이러한 전위구조의 차이로 인하여 알루미늄 무첨가강은 전위가 수소트랩부로 작용할 뿐만 아니라, 확산을 가속화 시키는 역할을 하였다. 또한 알루미늄 첨가는 <100>과 <111> 집합조직을 발달시켰으며, 이렇게 발달된 집합조직의 결정립계는 지연파괴의 균열전파 저지에 효과적으로 잘 알려져 있기 때문에 이 또한 수소지연파괴 저항성 향상의 원인임을 알 수 있었다. 마지막으로 알루미늄이 첨가될수록 냉간압연재의 잔류응력이 낮았다. 잔류응력이 높을수록 내부에 트랩된 수소의 확산을 위한 구동력으로 작용하여 수소지연파괴 저항성을 저하시키기 때문에, 알루미늄 무첨가강의 수소지연파괴 저항성의 저하 원인임을 알 수 있다.Fe-18Mn-0.6C-1.5Al 강재를 공형압연하여, 선재강을 제조하였고 이를 기존의 템퍼드 마르텐사이트 조직강, 펄라이트 조직강과의 수소지연파괴 저항성을 비교하였다. 오스테나이트계의 TWIP강은 기존 페라이트계 강재에 비해서 100 ~ 10,000 배 느린 수소 확산속도를 통하여 상용 고강도 페라이트계 볼트강에 비해서 수소지연파괴 저항성이 우수하였다. 뿐만 아니라 공형압연 변형중에 야기된 변형 쌍정이 62 kJ/mol 의 탈착 활성화에너지를 나타내어 비확산성 수소 트랩부로 유용하게 작용함을 알 수 있었다.기존 자동차 외판재와 비교하였을 경우 TWIP강은 높은 변형율로 성형되어, 미세조직적 결함의 밀도가 비교적 높아 수소가 트랩될 수 있는 미세조직적 결함이 많고, 변형 후의 높은 잔류응력에 의한 수소 확산 구동력이 높아서, 지연파괴에 대한 문제가 되고 있었다. 반면에 유사한 강도를 갖는 상용 고강도 선재강과 비교할 경우 우수한 지연파괴 저항성을 갖는 것을 알 수 있었다.