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1 82 ISSN Online ISSN SA-516 Grade 7 탄소강재현용접열영향부의기계적특성과미세조직에미치는용접후열처리온도의영향 박소영 * 강용준 * 강성식 ** 이승건 *, * 한국기계연구원부설재료연구소접합기술연구실 ** 한국원자력안전기술원원자력안전연구실 Effect of Post-Weld Heat Treatment Temperature on the Mechanical Properties and Microstructure of Simulated Weld Heat-Affected Zone of SA-516 Grade 7 Carbon Steel So-Young Park*, Yongjoon Kang*, Sung-Sik Kang**, and Seung-Gun Lee*, *Joining Technology Department, Korea Institute of Materials Science, Changwon, 5158, Korea **Dept. of Nuclear Safety Research, Korea Institute of Nuclear Safety, Daejeon, 34142, Korea Corresponding author : leesg@kims.re.kr (Received April 4, 218 ; Revised April 16, 218 ; Accepted April 23, 218) Abstract The effect of post-weld heat treatment (PWHT) temperature on the mechanical properties of the heat-affected zone (HAZ) of P-No. 1 carbon steel was investigated by taking into account the change of the microstructure. SA-516 Gr. 7 plate was employed as the P-No. 1 carbon steel, and the specimens taken from the steel were thermally cycled using a Gleeble simulator to simulate coarse-grained HAZ (CGHAZ), fine-grained HAZ (FGHAZ), intercritical HAZ (ICHAZ), and subcritical HAZ (SCHAZ). The base metal and simulated HAZ specimens were heat treated in a furnace at 61, 65, 69, and 73 for 8 hours. The impact toughness of ICHAZ, FGHAZ, and CGHAZ improved significantly when the PWHT temperature was 69 or below. However, when the PWHT temperature was 73, pearlite transformation occurred partially, and the mechanical properties deteriorated in all specimens with the exception of the simulated CGHAZ specimen. Therefore, the PWHT temperature should be below A 1 of carbon steel to avoid the reduction of impact toughness of the carbon steel HAZ. Key Words : Carbon steel, Heat-affected zone, Post-weld heat treatment, Impact toughness 1. 서론 원자력발전소기기의제작및설치시강재에대한용접은필수적으로수행된다. 그러나용접공정중에는용접부주변에형성되는급격한온도구배와용접구조물의구속조건에의해잔류응력이발생하게되며, 용접열에의해상변태가발생하여용접열영향부 (heat-affected zone, HAZ) 의충격인성이저하되는문제가있다. 이러한문제를방지하고용접구조물의건전성을확보 하기위해원전기기제작기술기준인 ASME Section III NX-462에서는용접후열처리 (post-weld heat treatment, PWHT) 를요구하고있으며, 실제로많은연구를통해 PWHT가용접잔류응력을완화시키고 HAZ 의인성을향상시키는효과가있다고보고된바있다 1-3). 용접 HAZ 의기계적특성은 PWHT 온도에따라크게달라질수있기때문에적절한 PWHT 조건을적용하는것이매우중요하다 3,4). 따라서 ASME Section III Table NX 에서는화학조성별로모재를 Journal of Welding and Joining, Vol.36 No.2(218) pp

2 SA-516 Grade 7 탄소강재현용접열영향부의기계적특성과미세조직에미치는용접후열처리온도의영향 83 그룹핑하여 PWHT 온도및최소유지시간을규정하고있다. 이에따르면원전압력기기에대표적으로사용되고있는 P-No. 1 탄소강및 P-No. 5A 저합금강에대한 PWHT 온도는각각 595~675 및 675~76 로규정하고있다. 한편이종강재용접부에대한 PWHT 시에는 ASME Section III NX 에따라각강재의 PWHT 온도범위중높은범위를적용해야한다. 앞서언급한 P-No. 1 탄소강과 P-No. 5A 저합금강의이종용접부는 675~76 의범위에서 PWHT를수행해야하며, 이경우탄소강에대한 PWHT 온도가상승되어 HAZ 의기계적특성이저하될수있으므로사전에기계적특성저하정도를확인하여야한다. 본연구에서는 PWHT 온도의증가가 P-No. 1 탄소강용접 HAZ 의기계적특성에미치는영향을평가하였다. P-No. 1 탄소강으로 SA-516 Gr. 7을사용하였으며, Gleeble 을이용하여용접 HAZ 를재현하였다. 재현용접 HAZ에대하여 61, 65, 69, 73 의온도에서 8시간동안 PWHT를실시한후 PWHT 온도증가에따른기계적특성및미세조직변화를분석하였다. 2. 실험방법 2.1 실험재료 본연구에사용된재료는 SA-516 Gr. 7으로, ASME 기술기준에서 P-No. 1로지정된압력용기용탄소강판이다. 열간압연을통해최종 25mm 의두께를가지며, 89 에서 22분유지한후소준 (normalizing) 된상태로제조되었다. 광학발광분석기 (optical emission spectroscopy) 를이용한화학조성분석결과를 Table 1에나타내었다. 2.2 용접열영향부재현실험재료로부터 11mm 11mm 55mm 치수의시편을길이방향이재료의압연방향과수직하게하여채취한후 Gleeble 을이용하여용접열사이클을재현하였다. 일반적으로탄소강의용접 HAZ 는열사이클의최고온도 (peak temperature, T p ) 가오스테나이트영역, 즉 Ac 3 이상인 coarse-grained HAZ (CGHAZ) 와 fine- grained HAZ (FGHAZ), 오스테나이트와페라이트이상영역, 즉 Ac 1 과 Ac 3 사이인 intercritical HAZ (ICHAZ), 페라이트영역, 즉 Ac 1 이하인 subcritical HAZ (SCHAZ) 로분류된다 5). 1 /sec 의승온조건으로딜라토미터시험결과, 본연구에사용된재료의 Ac 1 과 Ac 3 는각각약 747 와 874 로확인되었다. 따라서본연구에서는 CGHAZ, FGHAZ, ICHAZ, SCHAZ를재현하기위해열사이클의 T p 를각각 135, 9, 81, 65 로선정하였다. 또한, 현장의용접조건을반영하여 의예열온도와 3kJ/cm 의입열량조건을선정한후, Eq. 1의 3차원열전달을고려한 Rosenthal 식을이용하여용접열사이클을계산하였으며 6), 계산결과를 Fig. 1에나타내었다. 2 q / v r T -T = exp( - ) 2πλt 4at (1) Eq. 1 에서 T 와 t 는열사이클의온도및시간이며, T 는용접전재료의온도 ( 즉, 예열온도 ), q/v 는입열량, λ는재료의열전도도 (thermal conductivity), a는재료의열확산도 (thermal diffusivity), r은용접열원으로부터의거리를각각나타낸다. 2.3 용접후열처리 PWHT는 ASME 기술기준에서규정한온도및시간에따라수행하였다. 모재 (base metal) 및재현용접 HAZ 시편을열처리로에장입한후 61, 65, 69, 73 의온도에서 8시간동안유지하였다. 여 Temperature ( ) T P =135 T P =9 T P =81 T P = Time (sec) Fig. 1 Thermal cycles used for simulation of weld HAZ Table 1 Chemical composition of the steel used (wt%) C Mn Si P S Cr Ni Cu Al Fe Bal. 대한용접 접합학회지제 36 권제 2 호, 218 년 4 월 29

3 박소영 강용준 강성식 이승건 Hardness(Hv) Temperature ( ) PWHT temp.=73 PWHT temp.= PWHT temp.=65 PWHT temp.=61 1 Not PWHTed PWHTed at 61 PWHTed at 65 PWHTed at 69 PWHTed at BM Time (hr) ICHAZ FGHAZ CGHAZ FGHAZ CGHAZ Fig. 2 Temperature histories measured at the surface of the specimens during the heat treatment 3 Impact energy (J) 25 기서 61 와 65 는 ASME 기술기준에 따라 PNo. 1 탄소강 용접부에 적용하는 PWHT 온도 범위에 있으며, 69 와 73 는 P-No. 5A 저합금강과의 이 종 용접부에 적용하는 PWHT 온도 범위에 해당된다. Fig. 2는 시편에 열전대를 부착하여 열처리 중 시편의 온도를 측정한 결과이며, ASME Section III NX4623에서 제시하고 있는 PWHT의 가열 및 냉각 속도 요건을 만족하였다. SCHAZ Not PWHTed PWHTed at 61 PWHTed at 65 PWHTed at 69 PWHTed at BM SCHAZ ICHAZ 2.4 기계적 특성 평가 및 미세조직 분석 PWHT 온도 증가에 따른 용접 HAZ의 기계적 특성 Fig. 3 Mechanical properties of the base metal and simulated weld HAZ as a function of the PWHT temperature: hardness and impact energy 변화를 평가하기 위해 경도와 충격인성을 평가하였다. 경도는 비커스경도계를 이용하여 1.96N의 하중으로 상 FGHAZ, CGHAZ의 경도는 감소하였으며, 특히 CGHAZ 온에서 1회 측정 후 평균값을 구하였으며, 충격인성은 에서 큰 폭으로 감소하는 것으로 확인되었다. 또한 ICHAZ, ASME SA-37에 따라 Charpy 충격시험기를 이용하 FGHAZ, CGHAZ의 충격인성은 73 의 PWHT 조 여 3 에서 3회 측정 후 평균값을 구하였다. 충격시험 건을 제외하고 PWHT 온도가 높아짐에 따라 증가하였 편은 열처리 시편을 절삭가공하여 1mm 1mm 55mm 고, 특히 CGHAZ에서 향상되는 정도가 가장 두드러졌 치수로 제작하였다. 또한 주사전자현미경(scanning elect- 다. 하지만 73 의 PWHT 온도에서는 CGHAZ를 제 ron microscopy, SEM)을 이용하여 미세조직을 분석 외한 모든 시편의 충격인성이 PWHT 전에 비해 감소 하였으며, 미세조직 관찰을 위한 시편은 기계적 연마 하였다. 모재 및 SCHAZ의 경우 PWHT 온도에 관계없 후 3% nital 용액으로 에칭(etching)하였다. 이 경도와 충격인성이 모두 감소하는 것으로 관찰되었다. 3. 실험 결과 및 고찰 Fig. 3은 PWHT에 따른 모재 및 재현 용접 HAZ의 기계적 특성 변화를 나타낸 것이다. PWHT 전 CGHAZ 가 가장 높은 경도와 낮은 충격인성을 보이는 것으로 확인되었다. 기존 다수의 연구에서도 CGHAZ가 용접 HAZ에서 인성이 가장 낮은 국부취화영역(local brittle zone)으로 작용한다고 보고된 바 있으며5,7,8), 본 연 구에서도 동일한 결과를 관찰하였다. PWHT 후 ICHAZ, 21 PWHT 전 모재 및 재현 용접 HAZ의 미세조직을 Fig. 4와 5에 나타내었다. 모재는 페라이트와 펄라이트의 밴드 조직을 보였으며, SCHAZ의 경우 재현을 위한 Tp(65 ) 가 Ac1 이하이므로 열 사이클에 의한 상변태가 발생하 지 않아 모재와 미세조직의 차이를 보이지 않았다. ICHAZ, FGHAZ, CGHAZ의 경우 상변태에 의해 미 세조직이 모재 및 SCHAZ와 매우 상이하게 나타났다. ICHAZ는 열 사이클의 Tp(81 )가 오스테나이트와 페라이트 이상영역인 Ac1과 Ac3 사이이므로 펄라이트-오 스테나이트 변태 후 냉각을 통해 형성된 M-A (martensite- Journal of Welding and Joining, Vol. 36, No. 2, 218

4 SA-516 Grade 7 탄소강 재현 용접 열 영향부의 기계적 특성과 미세조직에 미치는 용접후열처리 온도의 영향 austenite) 상, 베이나이트, degenerated 펄라이트 등 미세한 크기의 제2상(second phase)이 발달하였으며, 열 사이클의 영향을 받지 않은 상대적으로 조대한 페라 이트가 존재하였다. FGHAZ와 CGHAZ는 열 사이클 1 (e) Fig. 4 Low magnification SEM micrographs of the base metal and simulated weld HAZ before the PWHT: base metal, SCHAZ, ICHAZ, FGHAZ, and (e) CGHAZ 85 의 Tp(9, 135 )가 Ac3 이상, 즉 오스테나이트 영 역이므로 가열 중 완전 오스테나이트화되기 때문에 비 교적 균일한 미세조직을 보였으나, 이들의 미세조직은 Tp의 차이에 의해 크게 다르게 나타났다. Tp가 상승함 에 따라 오스테나이트 결정립 크기는 증가하며 이에 따 라 핵생성 장소로 작용하는 오스테나이트 결정립계의 면적은 감소하게 되므로 경화능이 증가하게 된다9). 따 라서 FGHAZ에는 M-A 상, 베이나이트 등의 제2상과 페라이트가 미세하고 균일하게 분포되었으며, 경화능이 큰 CGHAZ에서는 베이나이트 조직이 주로 관찰되었 다. CGHAZ의 경우 베이나이트 조직이 발달함에 따라 높은 경도와 낮은 충격인성을 보이는 것으로 판단된다7). Fig. 6과 7은 PWHT 온도 변화에 따른 모재의 미세 조직 변화를 나타낸 것이다. 69 이하의 PWHT 온도 에서 펄라이트의 구상화 및 입계 시멘타이트의 석출이 관찰되었으며, PWHT 온도가 상승함에 따라 구상화 정 1 Fig. 6 Low magnification SEM micrographs of the base metal PWHTed at: 61, 65, 69, and 73 (e) Fig. 5 High magnification SEM micrographs of the base metal and simulated weld HAZ before the PWHT: base metal, SCHAZ, ICHAZ, FGHAZ, and (e) CGHAZ (P: pearlite, F: ferrite, B: bainite, M/A: martensite/austenite constituent, DP: degenerated pearlite) 대한용접 접합학회지 제36권 제2호, 218년 4월 Fig. 7 High magnification SEM micrographs of the base metal PWHTed at: 61, 65, 69, and 73 (P: pearlite, F: ferrite, Cm: cementite) 211

5 박소영 강용준 강성식 이승건 86 도가 향상되면서 입계 시멘타이트의 분율 및 크기가 증 가하는 것으로 확인되었다. PWHT 온도가 69 이하 일 때 모재의 경도가 감소하는 것은 펄라이트의 구상화 로 인한 연화가 주된 원인으로 보이며, 충격 특성의 감 소는 취성특성이 있는 입계 시멘타이트의 석출에 기인 한 것으로 판단된다. 펄라이트의 구상화 및 입계 시멘 타이트 석출에 의한 탄소강 모재의 기계적 특성 감소는 최근 연구에서도 확인된 바 있다1). 한편 PWHT 온도 가 73 일 때는 구상화 되지 않은 층상구조의 펄라이트 가 형성되었는데, 이것은 기존의 펄라이트가 73 에서 오스테나이트로 변태한 후 느린 냉각 속도(Fig. 2)에 의해 층상간격(interlamellar spacing)이 큰 새로운 펄라이트가 생성된 것으로 생각되며, 이로 인해 경도 및 충격인성이 PWHT 전 대비 감소한 것으로 판단된 다11). 73 에서 형성된 오스테나이트는 탄소의 고용도 가 크므로 석출되는 입계 시멘타이트의 양은 다른 PWHT 조건 대비 감소하는 것으로 관찰되었다. Fig. 8과 9는 PWHT 온도변화에 따른 SCHAZ의 미세조직 변화 양상을 나타낸 것으로, SCHAZ는 모재 와 유사한 미세조직이 관찰되었다. PWHT 온도가 69 이하일 때는 펄라이트의 구상화와 입계 시멘타이트 의 석출이 관찰되었으며, PWHT 온도가 73 일 때는 상변태에 의해 펄라이트가 생성되는 것으로 확인되었다. Fig. 1과 11은 PWHT 온도변화에 따른 ICHAZ의 미세조직 변화를 나타낸 것이다. Fig. 11에서 점선의 원으로 표시한 바와 같이 69 이하의 PWHT 온도에 서 M-A 상 등 탄소 함량이 높은 제2상이 분해되면서 미세한 탄화물이 밀집하여 석출되는 것으로 관찰되었 다. 이와 같이 경도가 높고 취성이 큰 제2상의 분해에 의해 경도가 감소하고 충격인성이 증가한 것으로 판단 된다1). PWHT에 의한 입계 시멘타이트의 석출도 관찰 되었으나, 결정립 크기가 작고 결정립계의 면적이 넓으 1 Fig. 8 Low magnification SEM micrographs of the SCHAZ PWHTed at: 61, 65, 69, and 73 Fig. 1 Low magnification SEM micrographs of the ICHAZ PWHTed at: 61, 65, 69, and 73 Fig. 9 High magnification SEM micrographs of the SCHAZ PWHTed at: 61, 65, 69, and 73 (P: pearlite, F: ferrite, Cm: cementite) 212 Fig. 11 High magnification SEM micrographs of the ICHAZ PWHTed at: 61, 65, 69, and 73 (P: pearlite, F: ferrite, Cm: cementite) Journal of Welding and Joining, Vol. 36, No. 2, 218

6 SA-516 Grade 7 탄소강 재현 용접 열 영향부의 기계적 특성과 미세조직에 미치는 용접후열처리 온도의 영향 므로 탄소의 확산이 용이하게 되어 결정립계를 따라 고 르게 분산된 형태를 보였으며, 이에 따라 충격인성 저 하에 미치는 영향은 미미한 것으로 생각된다. PWHT 온도가 73 일 때는 모재 및 SCHAZ와 마찬가지로 상변태에 의해 펄라이트가 형성되어 PWHT 전 대비 경도 및 충격인성이 감소한 것으로 보인다. Fig. 12와 13은 PWHT 온도변화에 따른 FCHAZ 의 미세조직 변화를 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이 PWHT에 따른 FGHAZ의 미세조직 변화 양상은 ICHAZ 의 경우와 유사하게 나타났다. PWHT 온도가 69 이 하일 때는 M-A 상 등의 제2상이 분해되면서 형성되는 미세한 탄화물의 집합체(aggregate)와 결정립계를 따 라 불연속적인 형태로 석출되는 입계 시멘타이트가 관 찰되었으며, PWHT 온도가 73 일 때는 상변태에 의 해 펄라이트가 생성되는 것으로 확인되었다. Fig. 14와 15는 PWHT 온도변화에 따른 CGHAZ의 미세조직 변화를 나타낸 것이다. 69 이하의 PWHT 조 건에서는 템퍼링 (tempering) 효과에 의해 미세한 탄 화물이 래스(lath) 경계 등에서 석출되는 것으로 관찰 되었다. 즉, PWHT에 의해 CGHAZ에서 템퍼드 베이 나이트 조직이 발달함에 따라 경도가 감소하고 충격인성 이 크게 향상된 것으로 판단된다12). PWHT 온도가 73 일 때는 상변태에 의해 펄라이트가 생성되어 다 른 PWHT 온도에 비해 충격인성이 낮은 것으로 확인 되었다. 4. 결 론 본 연구에서는 PWHT 온도의 증가가 P-No. 1 탄소 강 용접 HAZ의 기계적 특성에 미치는 영향을 평가하 였다. P-No. 1 탄소강으로 SA-516 Gr. 7을 사용하 였으며, Gleeble을 이용하여 용접 HAZ를 재현한 후 1 Fig. 12 Low magnification SEM micrographs of the FGHAZ PWHTed at: 61, 65, 69, and 73 1 Fig. 14 Low magnification SEM micrographs of the CGHAZ PWHTed at: 61, 65, 69, and 73 Fig. 13 High magnification SEM micrographs of the FGHAZ PWHTed at: 61, 65, 69, and 73 (P: pearlite, F: ferrite, Cm: cementite) 대한용접 접합학회지 제36권 제2호, 218년 4월 87 Fig. 15 High magnification SEM micrographs of the CGHAZ PWHTed at: 61, 65, 69, and 73 (P: pearlite, TB: tempered bainite) 213

7 88 박소영 강용준 강성식 이승건 ASME 기술기준에따라 61, 65, 69 및 73 의온도에서 8시간동안유지하였다. PWHT 온도증가에따른모재및재현용접 HAZ 의기계적특성및미세조직변화를분석하였으며, 주요결과는아래와같다. 1) 경도는모재및재현용접 HAZ 의모든시편에서 PWHT 온도에관계없이감소하였다. 충격인성의경우모재및 SCHAZ 는 PWHT 온도에관계없이감소하였으나, ICHAZ, FGHAZ, CGHAZ 는 73 의 PWHT 조건을제외하고 PWHT 온도가높아짐에따라증가하는것으로확인되었다. 한편 73 의 PWHT 온도에서는 CGHAZ 를제외한모든시편의충격인성이 PWHT 전에비해감소하는것으로확인되었다. 2) PWHT 온도가 69 이하일때모재및 SCHAZ 는펄라이트의구상화와입계시멘타이트의석출에의해경도및충격인성이감소한것으로판단되며, ICHAZ 및 FGHAZ는 M-A 상등제2상의분해에의해경도가감소하고충격인성이증가한것으로보인다. 한편 CGHAZ 는템퍼드베이나이트조직이발달함에따라경도가감소하고충격인성이크게향상된것으로판단된다. 3) PWHT 온도가 73 일때는상변태에의해펄라이트가생성되어 CGHAZ 를제외한모든시편의기계적성질이저하된것으로판단된다. 4) 탄소강용접 HAZ 의충격인성저하를방지하기위해서는 PWHT 시상변태에의한펄라이트생성을피해야할것으로사료된다. 따라서 ASME 기술기준에따라 P-No. 1 탄소강과 P-No. 5A 저합금강의이종용접부를대상으로 PWHT 를실시할경우, PWHT 온도가탄소강의 A 1 온도를초과하지않아야할것으로판단된다. 후 기 본연구는원자력안전위원회의재원으로한국원자력안전재단의지원을받아수행한원자력안전연구사업의연구결과입니다. (No. 1353) ORCID: So-Young Park: ORCID: Yongjoon Kang: ORCID: Seung-Gun Lee: References 1. G.M. Evans, The Effect of Stress Relieving on the Microstructure and Properties of C-Mn All-Weld Metal Deposits, Weld. J., 65(12) (1986), 326s-334s 2. P. Dong, S. Song, and J. Zhang, Analysis of Residual Stress Relief Mechanisms in Post-Weld Heat Treatment, Int. J. Pres. Ves. Pip., 122 (214), T.W. Park, I.O. Shim, Y.W. Kim, and C.Y. Kang, The effects of PWHT on the toughness of weld HAZ in Cu-containing HSLA-1 steel, Journal of KWS, 13(4) (1995), B. Silwal, L. Li, A. Deceuster, and B. Griffiths, Effect of Postweld Heat Treatment on the Toughness of Heat- Affected Zone for Grade 91 Steel, Weld. J., 92 (213), 8s-87s 5. M. Lomozik, Effect of the welding thermal cycles on the structural changes in the heat affected zone and on its properties in joints welded in low-alloy steels, Weld. Int., 14(11) (), K. Easterling, Introduction to the physical metallurgy of welding, (1983), 2 7. Y. Zhang, H. Zhang, J. Li, and W. Liu, Effect of Heat Input on Microstructure and Toughness of Coarse Grain Heat Affected Zone in Nb Microalloyed HSLA Steels, J. Iron Steel Res. Int., 16(5) (9), L. Lan, C. Qiu, D. Zhao, X. Gao, and L. Du, Analysis of Microstructural Variation and Mechanical Behaviors in Submerged Arc Welded Joint of High Strength Low Carbon Bainitic Steel, Mat. Sci. Eng. A-Struct., 558 (212), B. Hwang, D.-W. Suh., and S.-J. Kim, Austenitizing temperature and hardenability of low-carbon boron steels, Scripta Mater., 64 (211), S.-G. Lee, Y. Kang, G.-D. Kim, and S.-S. Kang, Effect of Post-Weld Heat Treatment on the Mechanical Properties and Microstructure of P-No. 1 Carbon Steels, Journal of Welding and Joining, 35 (217), S.-I. Lee, J.-Y. Kang, S.-Y. Lee, and B. Hwang, Effect of Microstructural Factors on Strength and Ductility in Hypoeutectoid Steels with Ferrite-Pearlite Structure, J. of the Korean Society for Heat Treatment, 29(1) (216), N. Saeidi and A. Ekrami, Impact properties of tempered bainite-ferrite dual phase steels, Mat. Sci. Eng. A-Struct., 527 (21), Journal of Welding and Joining, Vol. 36, No. 2, 218