대한조선학회논문집 Journal of the Society of Naval Architects of Korea Vol. 48, No. 2, pp , April 2011 DOI : / SNAK 빙해선박용강재의저온특성에

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영록 운
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1 대한조선학회논문집 Joural of the Society of Naval Architects of orea Vol. 48, No. 2, , Aril 2011 DOI : / SNA 민덕기 1 심천식 2 신동완 3 조상래 3, ( 주 ) 현대미포조선 1 목포대학교조선해양공학과 2 울산대학교조선해양공학부 3 O the Mechaical Proerties at Low Temeratures for Steels of Ice-Class Vessels Dug-i Mi 1 Chu-Sik Shim 2 Dog-Wa Shi 3 Sag-Rai Cho 3, Hyudai Mio Dockyard co., ltd. 1 Det. of Naval Architecture & Marie Eg., Moko Natioal Uiversity 2 School of Naval Architecture ad Ocea Egieerig, Uiversity of Ulsa 3 Abstract tests were coducted at low temeratures for the steel materials which are used for outer shell of the vessels makig trasit through the olar regios. The selected steel materials were GL-DH32, GL-DH36 ad GL-EH36. I comariso with the results at room temerature, the yield stress icreases aroximately by 10 to 13 ercet at -30 C ad by 13 to 19 ercet at -50 C while the tesile stregth icreases about by 9 ercet at -30 C ad 11 to 14 ercet at -50 C. To obtai true stress-true strai, i.e. correct lastic hardeig characteristics, Bridgma s(1952) eckig correctio formula was itroduced takig triaxial state of stresses after oset of diffuse eckig ito cosideratio. Photograhs of fractured surfaces were take by usig Scaig Electro Microscoe immedately after tesile tests comleted ad oe for GL-EH36 has bee reseted i this aer. eywords : Steel for marie use( 박용강재 ), test( 인장실험 ), Low temerature( 저온 ), True stress- true strai relatioshi( 진응력 - 진변형률관계 ), True fracture strai( 진파단변형률 ) 1. 서론 수에즈운하나파나마운하를통과할때보다북극항로를이용할경우수송거리및시간이약 40% 단축된다. 구소련의몰락과자유경제의확대로북극해항로를통과하는물동량이증가하고있으며러시아의극지방과해양을개발하려고한다. 이지역의석유와가스는아직개발되지않은유전중에서최대의매장량이될것이라고추정하고있다. 선박용재료로사용되는강재 (steel) 는타재료에비하여높은강도를가지며가격이싸고용접성과파괴인성면에서극지와같은저온에서도비교적우수한구조재료로알려져있다. 그러나저온에서의강의거동과기계적물특성치는상온에비해상이한특성을나타낸다고알려져있다. 극지와같이저온환경에서보다나은물특성치를확보하기위해서최근에는고강력강의사용이증가하고있으나빙해선박용고강력강에대한데이터는일반적인강에비해서한정되어있는실정이다. 최근국내에서스테인레스강의극저온특성에대한연구 (Hog et al. 2008) 가수행되었고 ASTM A500-tye carbo steel 강관재에대한저온특성에대한연구 (im et al. 2009) 등이수행된바있다. 또한다양한조선해양구조물용강재를대상으로변형률속도의존성과온도의존성을고려한실험적연구 (Choug et al. 2009) 를수행하고데이터베이스개발사례를발표한바있지만, 자세한연구결과를제시하지는않았다. 따라서지금까지빙해선박용강재의구조적거동에관한연구와소성영역에서의재료적거동을규명하기위한기초연구는찾아보기어렵다. 본논문에서는빙해선박용선급강재의탄소성물성치를면밀히분석하였고, 향후빙해선박의구조적거동특성을연구하기위한기초자료로활용되리라예측된다. 2. 소성경화구성방정식 강재에대한인장실험은탄성계수, 초기항복강도, 인장강도, 변형률경화지수, 강도계수등의탄소성재료특성를얻기위하여수행된다. 최종강도문제와같이구조물이소성변형을경험하지 접수일 : 2010 년 11 월 29 일 승인일 : 2011 년 2 월 21 일 교신저자 : srcho@ulsa.ac.kr,

2 만소성변형률이크지않은경우즉대변형문제이긴하지만대 변형률의문제가아닌경우소성역재료특성의부정확성으로인 한영향이비교적크지않다. 그러나선박의충돌과같이부재의 파단과대변형률을동반하는문제에있어서는소성재료특성정 보는구조거동의해석결과에큰영향을미친다. 하지만대부분의 인장실험에서는단지하중 ( 또는공칭응력 ) 과표점거리의신률 ( 또 는공칭변형률 ) 을획득하고있다. 이러한정보로는부재의일부 단면적이집중적으로감소하는확산네킹 (Diffuse eckig) 이전 까지의균일진응력 (Uiform true stress)- 균일진변형률 (Uiform true strai) 을추정하는것은가능하지만확산네킹이후의진응력 - 진변형률관계를추정하는것은쉽지않다. 즉하중 - 신률로부터 추정하는진응력 - 진변형률은확산네킹이발생하기이전에평활 재평행부의모든단면이균일변형 (Uiform deformatio) 할때까지만유효하다. 따라서확산네킹이전의진응력 - 진변형 률은균일진응력 - 균일진변형률이라불린다. 대부분의상용강재에있어서비균일변형의발생은확산네킹 이발생하는최대하중이후에시작한다. 지속적인인장과함께 하중이점점감소하다가결국파단에이르게된다. Bridgma(1952) 은봉형인장의확산네킹이후다축응력 상태를보정하기위한해석적식을제안하였다. 이는궁극적으로 인장실험으로얻은평균진응력을등가진응력으로수정하기위 한식이다. 된다. 2.1 균일진응력 - 진변형률 일축인장실험에있어서공칭변형률은식 (1) 과같이표현 (1) e 식 (3) 에나타낸소성변형률을로그진변형률이라한다. 로그 진변형률은확산네킹의발생전까지공칭변형률, 식 (1) 을사용 하여식 (4) 와같이나타낼수있다. 식 (4) 에나타낸소성변형 률은확산네킹이발생하기전까지적용가능하며균일진변형률 이라한다. L ( L - L0 ) + L0 = l = l = l( e + 1) L L 0 0 이와유사하게균일진응력은식 (5) 와같이나타낼수 있다. (5) = 공칭응력 = 공칭변형률 식 (4) 와식 (5) 는균일변형구간에서만유효하고확산네킹이 발생하면사용할수없다. 2.2 평균진응력 - 진변형률 Hollomo(1945) 은소성구간에서의응력 - 변형률관계를변형 률경화지수 () 와강도계수 () 를이용하여식 (6) 과같이나타내 었다. 변형률경화지수는로그좌표상에서응력과변형률의기울 기를의미하며식 (7) 과같이표현할수있다. (6) (4) = 특정순간에서표점거리의늘어난길이 = 원래의표점거리 = 특정순간에서의표점거리 dl 을표점거리의소성영역미소증분이라고하면이에상응하 는소성변형률증분은식 (2) 와같이표현될수있다. 변형률경화지수와강도계수는 ASTM E 에다음과같 이정의되어있다. (7) (2) } (8) 따라서특정순간에서의표점거리에상응하는소성변형률은 식 (3) 과같다. I (3) ex{ = log = log = 데이터의개수 172 대한조선학회논문집제 48 권제 2 호 2011 년 4 월

3 민덕기 심천식 신동완 조상래 2.3 등가진응력 -진변형률 Fig. 1에보인바와같이네킹이일단발생하면최소단면에서의재료는최소단면근처의상하부단면보다빨리수축하려는경향을보인다. 결과적으로최소단면상하부단면이최소단면의빠른수축을구속하게되고정수응력 (Hydro-static stress) 이네킹부의단면에발달하게된다. 사실네킹부에서전단응력이존재하지않기때문에정수응력이소성변형에기여하지않는다. 그러나정수응력이소성변형에필요한평균진응력을증가시키게된다. e e u = 소성변형률 = 진인장강도에상응하는균일진변형률 3. 실험개요 3.1 실험재료 Table 1 은실험에사용된강재의종류를나타내었다. Table 1 Material tye ad temerature of secimes Serial No. Tye of Material Material Thick. (mm) Tem ( C) No of Secime 1 GL- DH32 20 RT. 7 2 GL- DH GL- DH GL- DH36 20 RT 7 5 GL- DH GL- DH Fig. 1 Illustratio of eckig of a rod 네킹이후의평균진응력의수정을위하여 Bridgma (1952) 은식 (9) 와같이평균진응력으로부터등가진응력을계산하는이론식을제시하였다. s a, av s eq = = s a, av z æ 2R ö æ a ö (9) ç ç l 1 è a ø ç è 2R ø 7 GL- EH36 30 RT 5 8 GL- EH GL- EH 인장 ASTM 을기준으로의치수를결정하였으며 JIS 및 S규격도동시에만족하도록하였다. 은모재의롤링방향에수직이되도록제작하였다. Fig. 2는의치수를보여주고있다. 여기서. s a,av a R = 축방향평균응력 = 최소단면에서의반지름 = 최소단면에서의곡률반지름 그러나, 인장실험에서최소단면의곡률반지름과반지름을매증분하중마다정밀하게계측하는것은용이하지않으며이러한문제점을극복하기위하여 Le Roy et al.(1981) 은a / R 을소성변형률의함수로나타낸바있다. 일반적으로식 (10) 은비교적정확한경험식으로알려져있다. a R u = 1.1( e - e ) (10) Fig. 2 Scatlig of secime 3.3 인장실험인장실험은 200kN 만능인장실험기를이용하여 1.0mm/s의속도로변위제어를하였다. Fig. 3은저온챔버에인장을장착한상태를보여주고있다. 실험온도는각각의강재에대하여상온, -30 C 및 -50 C 에서실시하였다. JSNA, Vol. 48, No. 2, Aril

Table 3 Material roerties at RT of GL-DH36 Label S4-1 379.06 552.17 0.21 947.29 S4-2 380.00 545.00 0.19 902.87 S4-3 380.00 547.00 0.21 929.79 S4-4 383.00 553.00 0.20 931.78 S4-5 386.00 548.00 0.21 932.

4 Table 3 Material roerties at RT of GL-DH36 Label S S S S S S S Mea S.D COV 1.7% 1.1% 5% 1.5% Fig. 3 Secime setu i cold chamber 3.4 실험결과 강재종류에따른온도별항복강도, 인장강도, 변형률경화 지수 () 및강도계수 () 를 Table 2~Table 10 에나타내었다. 인장실험기로부터직접취득한공칭응력, 공칭변형률곡선은 Fig. 4 ~ Fig. 6 에나타내었다. 상온, -30 C 및 -50 C 각각의 온도에서의평균진응력 - 진변형률및등가진응력 - 진변형률을 비교하여 Fig. 7 ~ Fig. 9 에나타내었다. 초기단면적과파단 순간의단면적을계측하여진파단변형률을구하여 Table 11 에 보여주었다. 본연구에서설정된온도에서강재의취성상태 를알아보기위하여인장실험에사용된강재의파단면전자현 미경촬영을실시하였고 Fig. 10 ~ Fig. 12 에 EH36 강재의파 단면사진을수록하였다. 이들사진으로부터입자 (grai) 들이 저온에서상온에비해조밀해진것을확인할수있고, 이는저 온에서재료가취성화되었다는것을반증한다고할수있다 (Aderso, 1995). Table 2 Material roerties at RT of GL-DH32 () S S S S S S S Mea S.D COV 2.64% 1.21% 6.8% 2.26% Table 4 Material roerties at RT of GL-EH36 Secim e No. S S S S S Mea S.D COV 3.2% 2.6% 7.3% 6.8% Table 5 Material roerties at -30 C of GL-DH32 S S S Mea S.D COV 1.4% 1.0% 2.7% 0.9% Table 6 Material roerties at -30 C of GL-DH36 S S S Mea S.D COV 1.5% 0.5% 2.8% 1.1% 174 대한조선학회논문집제 48 권제 2 호 2011 년 4 월

$002 0.00 2.66 COV 0.4% 0.9% 0.0% 0.3% Table 11 True fracture strai Material Tem. ( C) True fracture strai( ) RT 1.24 DH32-30 1.17-50 1.14 RT 1.20 DH36-30 1.18-50 1.04 RT 1.$

5 민덕기 심천식 신동완 조상래 Table 7 Material roerties at -30 C of GL-EH36 S S S Mea S.D COV 0.4% 0.9% 0.0% 0.3% Table 11 True fracture strai Material Tem. ( C) True fracture strai( ) RT 1.24 DH RT 1.20 DH RT 1.70 Table 8 Material roerties at -50 C of GL-DH32 S S S Mea S.D COV 2.1% 0.7% 2.7% 0.6% EH Table 9 Material roerties at -50 C of GL-DH36 S S S Mea S.D COV 1.7% 1.0% 2.5% 1.5% Fig. 4 Nomial Stress-Strai relatioshis of GL-DH32 Table 10 Material roerties at -50 C of GL-EH36 S S S Mea S.D COV 1.4% 0.6% 0.0% 0.9% Fig. 5 Nomial Stress-Strai relatioshis of GL-DH36 JSNA, Vol. 48, No. 2, Aril

Fig. 6 Nomial Stress-Strai relatioshis of GL-EH36 Fig.

$10 Scaig Electro microscoic examiatio of the fractured surface of GL-EH36 steel at room temerature Fig.$

6 Fig. 6 Nomial Stress-Strai relatioshis of GL-EH36 Fig. 9 Average true stress-true strai ad equivalet true stress-true strai relatioshis for GL-EH36 steel at various temeratures Fig. 7 Average true stress-true strai ad equivalet true stress-true strai relatioshis for GL-DH32 steel at various temeratures Fig. 10 Scaig Electro microscoic examiatio of the fractured surface of GL-EH36 steel at room temerature Fig. 8 Average true stress-true strai ad equivalet true stress-true strai relatioshis for GL-DH36 steel at various temeratures Fig. 11 Scaig Electro microscoic examiatio of the fractured surface of GL-EH36 steel at -30 C 176 대한조선학회논문집제 48 권제 2 호 2011 년 4 월

$12 Scaig Electro microscoic examiatio of the fractured surface of GL-EH36 steel at -50 C 4. 결론 극지운항선박의외판에주로사용되는 DH32/36 및 EH36 강재 의저온인장실험을통하여선박의실제운항조건인 -30 C 및 -50 C 에서강재의항복강도와인장강도모두상승하였다.$ 항복 강도는상온대비 -30 C 에서약 10~13% -50 C 에서약 13~19% 증가하였고인강강도는 -30 C 에서대략 9%, -50 C 에서약 11~14% 증가하였다.

항복 강도는상온대비 -30 C 에서약 10~13% -50 C 에서약 13~19% 증가하였고인강강도는 -30 C 에서대략 9%, -50 C 에서약 11~14% 증가하였다.

변형률경화지수및강 도계수는온도가하강할수록더욱더높은값을보여주었고이 에대한결과로상온상태보다저온에서더높은진응력이도시 되었다. 그러나진파단변형률은저온에서낮은값을보여주었다. 따라서빙해지역운항선박의 shi-ice 충돌문제를다룰때상온 상태에서의강재특성치를사용하는것은정확한구조거동특성 파악을담보하지못한다고하겠다.

따라서저온및상온실험의파단 면전자현미경촬영을실시하였고 GL-EH36 강재의결과를제시 하였다. 이들사진으로부터쇄빙선및쇄빙상선이운항하는극 지의온도조건에서강재의재료특성이취성화된다는사실을확 인하였다. 그러나제시된사진만으로는현상태가연성 - 취성천 이구역 (Ductile- Brittle trasitio) 의어느구간에위치하는지는 판단할수가없다.

2008, Stadard Test Method for Strai-Hardeig Exoets(-Values) of Metallic Steel Materials. Bridgma, P.W., 1952. Studies i Large Plastic Flow. McGraw Hill: New York. Choug, J.M. & Cho, S.-R., 2008.

7 민덕기 심천식 신동완 조상래 충격실험을실시하여이를확인할필요가있다. 또한모재만이 아니라용접부의진응력 - 진변형률에대한특성연구도향후과제 로수행할필요가있다. 후기 이논문은울산대학교의지원에의하여연구되었음. 참고문헌 Fig. 12 Scaig Electro microscoic examiatio of the fractured surface of GL-EH36 steel at -50 C 4. 결론 극지운항선박의외판에주로사용되는 DH32/36 및 EH36 강재 의저온인장실험을통하여선박의실제운항조건인 -30 C 및 -50 C 에서강재의항복강도와인장강도모두상승하였다. 항복 강도는상온대비 -30 C 에서약 10~13% -50 C 에서약 13~19% 증가하였고인강강도는 -30 C 에서대략 9%, -50 C 에서약 11~14% 증가하였다. 변형률경화지수및강도계수를구하여평균진응력 - 진변형률 을구하였고, 충돌과같이부재의파단과대변형률을동반하는 문제에대한구조거동예측의정확성을확보하기위하여확산네 킹이후의등가진응력 - 진변형률을 Bridgma 의응력수정식및 Le Roy et al. 의식을이용하여구하였다. 변형률경화지수및강 도계수는온도가하강할수록더욱더높은값을보여주었고이 에대한결과로상온상태보다저온에서더높은진응력이도시 되었다. 그러나진파단변형률은저온에서낮은값을보여주었다. 따라서빙해지역운항선박의 shi-ice 충돌문제를다룰때상온 상태에서의강재특성치를사용하는것은정확한구조거동특성 파악을담보하지못한다고하겠다. 본연구를통해빙해운항선박 용강재의탄소성물특성치를확보하였고제시된자료가 Shi-ice 충돌및극지운항선박구조거동특성연구를위한기초 자료로활용도가높을것으로기대된다. 일반적으로강 (steel) 은저온조건에서취성화된다고알려져 있으나선박용선급강재에대한온도별취성화정도에대한정확 한정보는보고된바없다. 따라서저온및상온실험의파단 면전자현미경촬영을실시하였고 GL-EH36 강재의결과를제시 하였다. 이들사진으로부터쇄빙선및쇄빙상선이운항하는극 지의온도조건에서강재의재료특성이취성화된다는사실을확 인하였다. 그러나제시된사진만으로는현상태가연성 - 취성천 이구역 (Ductile- Brittle trasitio) 의어느구간에위치하는지는 판단할수가없다. 이를확인하기위해 GL-DH36 강재의 Chary Aderso, T. 1995, Fracture mechaics. Fudametals & Alicatios. C Press: Boca Rato, Florida. ASTM E , Stadard Test Method for Strai-Hardeig Exoets(-Values) of Metallic Steel Materials. Bridgma, P.W., Studies i Large Plastic Flow. McGraw Hill: New York. Choug, J.M. & Cho, S.-R., Study o true stress correctio from tesile tests. Joural of Mechaical Sciece ad Techology Vol ~1051. Hog, J.-H. eum, D. M. Ha, D. S. Park, I. B. Chu, M. S. Lee,. W. & Lee, J. M., Mechaical Characteristics of Stailess Steel uder Low Temerature Eviromet. Joural of the Society of Naval Architects of orea, Vol. 45, No.5, Holloma J. H., Deformatio. Tras. AIME, 162, 268(1945) Choug, J. M. Ha, Y. T. lm, S. W. Huh, H. & im,. S., Develomet of Elastic-Plastic Material Database Software Cosiderig Temerature ad Strai Rate Deedecies of Marie Structural Steels. OAST., Choug, J. M., O the Fracture Criteria of Steels for Marie Structures Subjected to Imact Loadigs. Ph.D Thesis, Uiversity of Ulsa. Lee,. J. im, T. W. Yoo, J. S. Chu, M. S. & Lee, J. M., Develomet of Temerature Deedet Damage Model for Evaluatig Material Performace uder Cryogeic Eviromet. Joural of the Society of Naval Architects of orea, Vol. 45 No.5, 민덕기심천식신동완조상래 JSNA, Vol. 48, No. 2, Aril

<4D F736F F F696E74202D20C0E7B7E1C0C720B0ADB5B52CBFACBCBA2CB0E6B5B5C6F2B0A1B1E2B9FD205BC8A3C8AF20B8F0B5E55D>

<4D F736F F F696E74202D20C0E7B7E1C0C720B0ADB5B52CBFACBCBA2CB0E6B5B5C6F2B0A1B1E2B9FD205BC8A3C8AF20B8F0B5E55D> 재료의강도 / 연성 / 경도평가기법 기계적시험 (Mechanical Tests) 목적 : 재료의응력 (stress) 에대한재료의저항 (strain) 관계를구함 인장 / 압축시험 경도시험 굽힘시험, 피로시험, 열피로시험, 파괴인성시험, 크리프시험, 충격시험, 열충격시험, 마모시험등 변형 (Deformation) 의종류 Tension Compression Shear