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1 41 ISSN Online ISSN Ferrite-Bainite dual phase 강의피로균열진전특성평가 김덕근 * 조동필 * 오동진 * 김명현 *, * 부산대학교공과대학조선해양공학과 A Study of Fatigue Crack Growth Behaviour for Ferrite-Bainite Dual Phase Steel Deok-Geun Kim*, Dong-Pil Cho*, Dong-Jin Oh* and Myung-Hyun Kim*, *Dept. of Naval Architecture and Ocean Engineering, Pusan National University, Busan , Korea Corresponding author : kimm@pusan.ac.kr (Received August 28, 2015 ; Revised October 6, 2015 ; Accepted November 25, 2015) Abstract With the recent increase in size of ships and offshore structures, there are more demand for thicker plates. As the thickness increases, it is known that fatigue life of the structures decrease. To improve the fatigue life, post weld treatments techniques, such as toe grinding, TIG dressing and hammer peening, are typically employed. However, these techniques require additional construction time and production cost. Therefore, it is of crucial interest steels with longer fatigue crack growth life compared to conventional steels. This study investigates fatigue crack growth rate (FCGR) behaviours of conventional and Ferrite- Bainite dual phase (). is known to have improved fatigue performance associated with the existence of two different phases. Ferrite-Bainite dual phase microstructures are obtained by special thermo mechanical control process (TMCP). FCGR behaviours are investigated by a series of constant stress-controlled FCGR tests. Considering all test conditions (ambient, low temperature, high stress ratio), it is shown that FCGR of is slower than that of conventional. From the tensile tests and impact tests, exhibits higher values of strength and impact energy leading to slower FCGR. Key Words : Fatigue crack growth rate, Dual phase steel, Ferrite-Bainite 1. 서론 최근선박및해양구조물의대형화로인해사용되는강재의두께도점차증가하고있다. 강재두께의증가로인해피로수명은저하되지만, 설계강도의확보를위하여불가피하게강재의두께를증가시키고있는실정이다 1). 특히, 12,000 TEU 이상의대형컨테이너선의경우두께 80 mm 이상의고강도강재를해치코밍부분에적용하고있으며, 이로인한피로파괴의위험성은더욱높아지고있다. 이에, 구조물의설계강도를확보하는범위안에서피로수명을증가시킬수있는방법에대한연구가지속적으로수행되고있다 2-4). IIW (International Institute of Welding) 에서는선박및해양구조물의피로수명을증가시키기위해다 양한용접부후처리방법을제안하고있다 5). 이는, 주로기계적인가공 (toe grinding, TIG dressing) 을통해용접 Toe 부의형상을개선하거나, 기계적인충격을통해용접부표면에압축잔류응력을생성시켜피로수명을증가시키는방법들 (hammer peening, high frequency mechanical impact) 로써, 이러한방법들은피로강도증가측면에서뛰어난효과를보이는것으로알려져있다 6). 하지만용접부후처리방법에대한제약조건과생산시수및부대비용의증가는경제성측면에서적절한방법의선택에대한어려움을주고있다. 이에따라, 선주및선급에서는구조물의피로수명확보를위해균열정지특성이확보된강재의개발및적용을요구하고있다. 최근 TMCP (Thermo mechanical control process) 공정적용을통한균열정지특성이확보된강재개발에 Journal of Welding and Joining, Vol.34 No.1(2016) pp

2 42 대한많은연구가수행되고있다. 일반적인 TMCP 공정은압연공정후, 범위의온도로물을이용하여가속냉각하여상온으로공냉을실시한다. 하지만, Guan 등은일반적인 TMCP 공정과달리강재를 800 에서 1시간유지한뒤물을이용하여상온으로가속냉각을실시하고, 200 의온도에서 30분간 tempering 을수행하여기존강재대비 bainite 함유량이증가된강재 (, Ferrite-Bainite dual phase steel) 를개발하였다 7). 2차상변태에의해생기는 bainite 조직은균열진전에큰영향을미친다. 이에, 본연구에서는열처리를통해균열정지특성이확보된강재 () 와기존의 에대한피로균열진전특성을비교, 분석하였다. 또한, 피로균열진전시험을통해두가지온도 (ambient 및 -10 ) 와두가지응력비 (R = 0.1 및 0.5) 에의한영향을고찰하였다. 2. 재료및기계적특성 2.1 화학조성 본연구에서사용된 과 은각각 ASTM A131 의 EH36 강재이며, 의경우 TMCP 과정중통상적인냉각속도보다더빠른냉각속도로제어함으로써 bainite 조직을생성하였다 8). 두강재에대해화학조성분석을실시하였으며그결과를 Table 1에나타내었다. 분석결과 ASTM A131 에서요구하고있는 EH36 강재의화학조성을모두만족하였으며두강재의화학성분에는큰차이가나타나지않았다. 2.2 인장및충격인성시험 과 에대한인장시험결과를 Table 2에정리하여나타내었다. 인장시험결과 ASTM A131 의최소기준치를모두만족하였고 F-B steel 이 대비항복강도는평균 40 MPa ( 약 11%), 인장강도는평균 9 MPa ( 약 2%) 높게나타남을확인하였다. ASTM A131 의충격인성최소기준치만족여부확 김덕근 조동필 오동진 김명현 인을위해 -40 에서충격인성시험을실시하였고 Fig. 1에정리하여나타내었다. 두강재모두 ASTM A131 에서제시하는충격인성최소요구치 34J 을크게상회하는것을확인하였다. 또한, 압연을통해제작된강재이므로 1/2t 보다 1/4t 에서 의경우평균 49J ( 약 41%), 의경우평균 41J ( 약 35%) 높게나타났다. 이 대비 1/4t 에서평균 11J ( 약 7%), 1/2t 에서는평균 3J ( 약 3%) 높게나타났다. 충격인성시험결과를통해통상적인 TMCP 과정으로생산되는 과는달리화학조성은변화시키지않고급랭공정을추가하여생산된 은 bainite 가생성되어물성시험결과항복강도, 인장강도및충격인성모두향상되는것으로판단된다. 3. 피로균열진전시험및결과 3.1 시험방법 Elongation (%) Yield stress [MPa] Tensile stress [MPa] ASTM A min. 355 min Impact value[j] Table 2 Results of tensile test EH36 steel 1/2t EH36 steel 1/4t F-B steel 1/2t Fig. 1 Results of impact test ASTM min. request F-B steel 1/4t 피로균열진전시험은 ASTM E647 에따라 CT (Compact Table 1 Chemical composition for and (wt%) C Mn Si P S Al Nb V Ti Cu Cr Ni Mo Ceq ASTM A131 < <0.035 <0.035 > <0.02 <0.35 <0.2 <0.4 <0.08 < < < Journal of Welding and Joining, Vol. 34, No. 1, 2016

3 Ferrite-Bainite dual phase 강의피로균열진전특성평가 R0.1Max v는 COD (mm), B는시험편의두께 (mm), P는시험편에작용하는하중 (N) 을의미한다. 이를통해얻어진균열길이를이용하여 ΔK (Stress intensity factor range) 를아래식 (3) 을이용하여계산하였다 (3) Ø Fig. 2 Dimension of FCGR specimen Table 3 FCGR test conditions Temperature Stress ratio Ambient tension) 시험편의형상으로결정하였다 9). 이때, F-B steel 과 의피로시험편의두께는 10 mm 이며시험편형상은 Fig. 2에나타내었다. 피로시험에사용된장비는축인장 / 압축유압피로시험기 (IMT 8803, INSTRON) 를사용하였고, 피로하중의파형은정현파 (Sinusoidal wave), 주파수는 20Hz 로피로균열진전시험을수행하였다. 또한, 컨테이너선의설계온도 (-10 ) 뿐만아니라, 구조건전성평가에활용되는 BS 7910 에서피로균열진전속도의저응력비와고응력비가나뉘는응력비 0.5 에서시험을실시하였으며시험의주요조건은 Table 3에요약정리하였다 10). 본시험에앞서기계가공된시험편에날카로운균열을생성시키기위해 ΔK 감소방법을사용하였으며, ΔK 감소량은 ΔK 감소율을 mm -1 로설정하였다. 피로균열진전시험수행중, compliance 방법을사용하여균열길이를측정하기위해 COD gage (Crack opening displacement gage) 를사용하였으며균열길이계산식은아래식 (1) 과 (2) 를사용하였다. (1) (2) 여기서, a 는균열길이 (mm), W 는시험편의너비 (mm), 이렇게계산된 ΔK를이용하여식 (4) 에서제시된 Paris law를통해 da/dn-δk 선도를작성하고균열전파특성을나타내는재료상수인 C와 m을각각도출하였다. 3.2 시험결과 미세조직외에다른시험조건은동일하게피로균열진전시험을수행하였으며결과를피로균열진전속도 (da/dn) 와 ΔK 의선도로 Fig. 3, 4 및 5에나타내었다. 상온 (RT)/ 응력비 0.1 에서의실험결과, 에서 의피로균열진전속도가약 42% 감소하였다. 시험조건을변경하였을때, 저온 (-10, LT)/ 응력비 0.1 조건에서는상온 (RT)/ 응력비 0.1 의결과와마찬가지로 에서 의피로균열진전속도가약 24% 더느린것을확인하였다. 하지만상온 (RT)/ 응력비 0.5의시험조건에서는이전시험결과들과는달리피로균열진전속도에서큰차이가없었다. 상온 (RT)/ 응력비 0.1 의경우와저온 da/dn [m/cycle] ΔK[MPa m 0.5 ] Fig. 3 Comparison between and (Ambient/R=0.1) (4) 대한용접 접합학회지제 34 권제 1 호, 2016 년 2 월 43

4 44 김덕근 조동필 오동진 김명현 5 4 da/dn [m/cycle] m ΔK[MPa m 0.5 ] Fig. 4 Comparison between and (-10 /R=0.1) 0 Ambient/R= /R=0.1 Ambient/R=0.5 Fig. 6 Results for material constant m da/dn [m/cycle] C 1E-10 1E ΔK[MPa m 0.5 ] 1E-12 Ambient/R= /R=0.1 Ambient/R=0.5 Fig. 7 Results for material constant C Fig. 5 Comparison between and (Ambient/R=0.5) (-10, LT)/ 응력비 0.1의경우에서 에함유된 bainite 조직에의해피로균열진전속도가감소하는것으로판단된다. 각시험조건에서재료상수를 Fig. 6과 7에나타내었다. 의경우시험조건이변경되었을때, 재료상수 m의차이는약 3% 이내로크게차이가나지않는경향이나타났으며, 의경우재료상수 m은최대약 28% 까지차이가나타났다. 두가지강재모두재료상수 C의경우저온에서가장낮게계산되었으며높은응력비에서가장높은값이계산되는동일한경향이나타났다. 시험결과를통해도출된두강재의피로균열진전특성을나타내는재료상수 (C, m) 을사용하여각조건별로아래식 (5) 를통해피로수명을계산하였다. (5) Cycles Ambient/R= /R=0.1 Ambient/R=0.5 Fig. 8 Comparisons of fatigue crack growth life 여기서 은피로균열진전수명, 는피로예비균열을포함한초기균열길이 (13.7 mm), 는최종균열길이 (50 mm) 로선정하였으며 는피로균열진전속도의역수이다. 수명을계산한결과는 Fig. 8에나타내었으며상온 (RT)/ 응력비 0.1에서 의수명은 EH36 44 Journal of Welding and Joining, Vol. 34, No. 1, 2016

5 Ferrite-Bainite dual phase 강의 피로균열진전 특성 평가 steel 대비 약 15% 증가하였으며 저온에서는 약 18% 증가하였다. 상온(RT)/응력비 0.5에서 수명을 계산한 결과 의 수명이 대비 약 5% 수명이 크게 나왔는데 피로균열진전 속도가 크게 차이 가 나지 않아 이러한 결과가 나온 것으로 판단된다. 45 상 되었지만 강도가 증가하여도 피로균열진전 속도가 증가한다는 기존의 연구결과가 존재한다11). 이러한 관 점에서 bainite 조직에 의해 강재의 균열정지 특성이 나타나는 것으로 판단된다. 4. 결 3.3 미세조직 관찰 피로균열진전 속도와 수명이 차이가 나는 원인 분석 을 위해 미세조직을 관찰하였다. 파단 된 시험편을 이 용하여 커팅-마운팅-폴리싱 과정을 거쳐 200배의 배율 로 확대하여 촬영하였으며 미세조직 사진을 아래 Fig. 9와 10에 나타내었다. 의 경우 ferrite와 pearlite조직이 관찰되었고, 의 경우 ferrite 와 bainite가 혼재된 조직을 나타났다. 미세조직 관찰 결과에서 나타난 바와 같이 두 강재 모두 ferrite는 동 일하게 생성되어 있으나, 의 경우 EH36 steel에서 나타나는 pearlite와는 달리 bainite 조직이 관측되었다. 미세조직 관찰 결과를 통해 TMCP 강재 제조 시 통상적인 냉각속도보다 빠른 냉각속도로 제어 함으로써 bainite 조직이 형성됨을 확인하였다. 기존의 대비 의 강도와 충격인성이 향 50 Fig. 9 Microstructure of 론 본 논문에서는 미세조직에 따른 및 의 피로균열진전 속도 특성을 측정, 비교 및 검토하고자 하였다. 두 강재에 대해 인장시험, 충격인 성 시험 및 피로균열진전 시험 결과 얻어진 연구 성과 를 아래와 같이 정리하여 나타내었다. 1) 과 의 화학조성은 동일하 며 서로 다른 TMCP 공정에 의해 미세조직만 변화되었다. 2) 인장시험 및 충격인성 시험 결과 이 대비 항복강도는 평균 40 MPa (약 11%), 인장강도는 평균 9 MPa (약 2%) 및 충격인성은 1/4t에서 평균 11J (약 7%), 1/2t에서 평균 3J (약 3%) 높게 나타났다. 3) 상온/응력비 0.1 및 저온/응력비 0.1에서 피로균 열진전 시험 결과, 기준 F-B steel의 피로균열진전 속도는 보다 각각 42% 및 24% 더 낮게 나타났으며, 피로균열진전 수명 은 각각 약 15% 및 18% 더 높게 나타났다. 상온/응 력비 0.5에서는 피로균열진전 속도와 수명이 큰 차이가 나지 않음을 확인하였다. 4) 미세조직을 관찰한 결과 에서는 ferrite와 bainite가 혼재된 조직이 나타났으며, EH36 steel은 ferrite와 pearlite 조직이 관찰되었다. 기존의 대비 의 강도와 충격인성이 향 상 되었지만 강도가 증가하여도 피로균열진전 속도가 증가한다는 기존의 연구결과가 존재한다. 이러한 관점 에서 bainite 조직에 의해 강재의 균열정지 특성이 나 타나는 것으로 판단된다. 후 기 이 논문(저서)은 2014년 교육부와 한국연구재단의 지역혁신창의인력양성사업의 지원을 받아 수행된 연구 임(NRF-2014H1C1A ). 이 논문은 2014년 도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 GCRC과제의 지원을 받아 수행된 연구임(NRF ). 50 Fig. 10 Microstructure of 대한용접 접합학회지 제34권 제1호, 2016년 2월 References 1. Wen Jie Xin, Dong Jin Oh and Myung Hyum Kim, A 45

6 46 김덕근 조동필 오동진 김명현 study of the Thickness Effect using Structural Stress Approach for Fillet Welded Joints, Journal of KWJS, 32-2 (2014), (in Korean) 2. Sung Won Kang, Myung Hyun Kim, Jae Young Choi, Wha Soo Kim and Young Min Paik, A Study on the Fatigue Strength Improvement using Weld Toe Burr Grinding, Journal of KWJS, 24-2 (2006), (in Korean) 3. Seung Yong Lee and Kab Soo Kyung, A Study on the Fatigue Strength Improvement of the Fillet Welded Connections with respect to Post-Weld Treatment, KSCE Journal of Civil Engineering, 28-5A (2008), (in Korean) 4. Jeong Woo Han and Seung Ho Han, Research for Fatigue Life Extension Techniques in Weldments via Pneumatic Hammer Peening, Journal of Mechanical Science and Technology, 33-8 (2009), (in Korean) 5. A. Hobbacher, Recommendations for fatigue design of welded joints and components. IIW document XIII /XV WRC bulletin 520, The welding Research Council, New York, (2007) 6. Yong Kim and Bo young Lee, Methods for Fatigue Strength Improvement of the Weld Structure (Ⅱ) - Post Weld Improvement Methods -, Journal of KWJS, 30-2 (2012), (in Korean) 7. M. Guan and H. Yu, Fatigue crack growth behaviors in hot-rolled low carbon steels, A comparison between ferrite-pearlite and ferrite-bainite microstructures, Materials Science & Engineering A, 559 (2013), ASTM, Standard Specification for Structural Steel for Ships, ASTM A131 (2014), ASTM, Standard Test Method for Measurement of Fatigue Crack Growth Rates, ASTM E (2013), BSI, Guide to Methods for Assessing the Acceptability of Flaws in Metallic Structures, BS 7910 (2013), D.F. Laurito, C.A.R.P. Baptista, M. A. S. Torres and A. J. Abdalla, Microstructural effects on fatigue crack growth behavior of a microalloyed steel, Procedia Engineering, 2 (2010), Journal of Welding and Joining, Vol. 34, No. 1, 2016