금속재료개론 1) Space Lattice 금속내원자들은금속의종류에따라어떤일정한배열 BCC FCC HCP (ferrite) (austenite) BCT(martensite)
2) 철의 Phase 철은온도변화에따라서로다른격자(lattice) 구조를갖게되고그각각을상(phase) 이라함 상변태(phase transformation) 발생. 순수철은 911 이상에서는 fcc, 그아래에서는 bcc bcc 격자구조를 α상, fcc 격자구조를 γ C-solubility 차이 : fcc 구조와 bcc 구조에서무려 100배 fcc에서 bcc로변태할때탄소가활발하게확산운동필요 용접과같은급냉공정시확산운동제한으로여러가지취화현상이발생
표. 철의상에따른성질 구분 bcc fcc Phase αδ ( ) γ ferrite austenite Atomic packing fraction 68% 74% Interstices tetrahedral 12 개 0.291r octahedral 4 개 0.414r C-solubility 0.02% 2.06% Mechanical behaviour soft & ductile very soft & ductile Thermal (Electrical) conductivity very high high
구분 tetrahedral octahedral [[½, ¼, 0]] 12 개 [[½, ½, 0]] 6 개 BCC [[¼, ¼, ¼]] 8 개 [[½, ½, ½]] 4 개 FCC
3) 고용체(Solid Solution) 두가지원소이상으로구성된단일상의고체에서한원소가기지(matrix) 상을구성하는다른 원소의결정내에용해된것 치환형(substitutional) 고용체와침입형(interstitial) 고용체 치환형은 A원자의격자점에 B원자가치환 원자직경이 15% 이상차이가나면동일한원자 격자라할지라도치환형으로안됨 침입형은용질원자의직경이용매원자에비해극히작을때가능( 용해원소:C, H, N, B, O ) Substitutional Interstitial
4) 격자결함(Lattice Defects) Point defects : mass, charge 등의이동 : vacancy, interstitial atom, impurity Line defects : mechanical properties에기여 : Dislocation 전위의이동을제한하면재료의강도증가 Volume defects : fracture에기여 : void, Grain Boundary, inclusion, crack grain boundary : 다결정(poly crystal) 체내의단결정(single crystal) 상호간경계
5) Phase Diagram : 1 어떤금속을어떤온도에서무한한시간동안노출시킬때나타나는평형상그림 전율고용형 두성분의어떤조성조합에서도완전히서로고용되어한개의상만나타나는경우 Cu-Ni 합금의평형상태도
2 공정형 두성분이전율고용체를만들지못하고서로어느한도만용해하여 A가 B를품 은고용체 α와 B가 A 를품은고용체 β가서로다른상이되고, 다시이것이상성분 이되어마치새로운순수금속인양 α와β가교대로나타나는상( 공정 : eutectic) 을 형성
강의상태도
0.4%C 강의서냉시미세조직의변화
6) TTT-diagram : 항온변태(isothermal trasf.) 시의시간과온도조직에대한그림 : CCT(continuous cooling transf. Diag.) 일정냉각속도로연속냉각
7) 인장시험 : 재료의인장력에대한탄성적성질, 소성변형저항및파단강도를측정 결과 : yield/tensile strength, elongation, reduction of area σ( 응력 ) Tensile Strength ε( 연신률 )
8) Creep : 재료에일정한응력을가할때생기는변형량의시간적변화( 특히, 고온에서고려) creep 속도는온도/ 응력에비례 1차 creep : 2차 creep : 3차 creep : 변형속도가시간에따라감소변형속도가일정변형속도가빨라져파단
9) Steel? : 철의기지에 carbon 이합금된 Fe-C alloy
10) Manufacturing of steel
11) 강의종류 ( 가) 탄소강 (carbon steel) : 의도적인합금원소가없는것 : P-No.1 계열 C 가강의특성을좌우 ( 나) 저합금강 (alloy steel) : 의도적인합금원소가있는것 : P-No.3, 5번계열 - alloying : Ni, Cr, Mo, Cu, V, Ti, Nb < 5% - mechanical property, hardenability, corrosion or erosion resistance 개선을위해 ( 다) 고합금강 (high alloy steel) : Cr, Ni, Mn > 10% - austenitic manganese steels : 고탄소강 + Mn (>10%) : 고인성, 고경화능, 냉간가공성 - stainless steels : 탄소강 + Cr (>12%) : P-No. 6, 7, 8 - heat resisting steels : stainless steel 또는 superalloy
12) 열처리에따른강의발전 (a) (b) (c) 900~950 A 3 A 1 (723 ) 600 a) as-rolled steel b) normalizing steel c) Q & T steel 1) Normalizing( 소준 ) : A 3 + 40~60 이상가열후 (fully γ) 공냉 : 조직미세화, 내부응력감소 2) Quenching( 소입 ) : A 3 (A 1 ) + 30~50 이상가열후 (fully γ) 급냉 : 경화 3) Tempering ( 소려, 뜨임 ) : A 1 이하가열후서냉 : c 를과포화한 Martensite( 무확산변태 ) 가 ferrite + Fe 3 C 로변태 : 잔류응력제거, 경도는조금감소하나취성증가
13) Q&T 강(Quenched & Tempered 강, 고장력강) 급냉하여마르텐사이트상변태에의한강도( σy 70~220 ksi) 를얻고지나친상변태잔류응력 을템퍼링으로제거하여얻은고강도고인성재료( 인성, 강도 ) 템퍼링으로인한강도의저하는탄화물석출(secondary hardening) 에의하여회복됨 소성변형없이강화되므로용접시에강도를잃게될염려도없어용접성도뛰어남 low C : Ms 의 hardness 감소시킴( 인성개선) : reduce volume expansion during Ms transformation Ni, Cr, Mo alloying : 소입성(hardenability) 증가시켜 Ms or lower bainite로변태시킴 : 층간온도제한등으로용접시 HAZ가 ferrite/pearlite가안되어야함 Ti, V, Zr : carbide former secondary hardening N : nitrides former N < 0.02% PWHT : 재료생산시의 tempering 온도보다낮은온도에서수행( 높으면 HAZ의 softening)
14) 스테인레스강(Cr 계: m,f Cr-Ni 계 : a) (1) martensite계 stainless 강 (P-No.6) 소입( 담금질) 에의해 martensite조직을나타냄 고강도나고경도, 고온용구조용강등에쓰임 용접시의냉각속도를느리게조절하지않으면용접부에균열발생( 예열및후열필요) (2) ferrite계 stainless 강 (P-No.7) martensite계에비해 Cr 함유량이많고, 탄소량이적어내식성이양호함 475 취성및고온취성가능성때문에용접시냉각속도빨리해야함( 용접입열, 예열 ) (3) austenite계 stainless 강 (P-No.8)( 용접시 Hot cracking 발생 NX-2400) 냉간가공에의해서만경화되고, SCC (Stress corrosion cracking) 열처리로는경화되지않음 발생 : 특정부식환경( 염화물, 알카리) 과인장응력의동시작용에의한연속적인취성파괴 : 스테인레스강에서는보통입계(intergranular) 를따라진행(IGSCC) : 부식균열의시발... slip step 또는기계적인원인으로 film breakdown
IGC (Intergranular corrosion cracking) - 스테인레스강은 550 ~ 950 의범위에서 Cr23C 6 등의탄화물이쉽게석출 에너지상태가불안정한입계에서주로석출 - 이때 Cr의확산성은낮고크기가작은 C은확산성이높아기지내의 C도쉽게입계로이동되어오나 Cr은입계에있는 Cr만소모되어입계의 Cr이쉽게고갈 Cr very poor zone(cr depleted zone) - 석출물과기지사이의 electropotential difference 로 galvanic corrosion이란전기화학적가속부식이일어나게된다. - IGC 발생에는해당온도에서유지시간이필요. 실질적으로용접시에는열영향부가장시간 900 ~ 550 범위에머물기가어려움.( 원자력의경우노출온도가 300 근처) - 스테인레스강에서 IGC에민감한미세조직이 pitting 이나 SCC 에도민감. 스테인레스강의 pitting, SCC 저항성측정방법으로용접에서도유용성을인정 Reg. Guide 1.44 및 3.37에의거안정화강이나극저탄소강이아닌용접 PQ 시에 IGC 감수성시험을추가로요구 ASTM A262 Practice A 및 E 를표준시험법으로추천
IGC 방지대책 1. 석출된 Cr-carbides를 solution heat treatment at 1050 quenching 주로용체화열처리가가능한소형제품밸브, 핏 팅제조에많이응용 2. Cr 대신 carbides를석출할강력한안정화 (stabilizing) 원소를첨가 Nb을첨가한 347, Ti을첨가한 321 3. 탄화물석출이안되도록 C함량을크게낮춤 - below 0.03% 304L, 316L, 309L, 308L 등으로 "L" 로표기 4. Cladding HAZ minimize ( 별로효과적이지못함)
steel 조성 (wt%) type 종류 martensite계 steel 표. 기본적인 stainless 강이분류와용도예 Cr계 stainless ferrite계 stainless steel austenite계 Cr계 stainless steel Cr-Ni계 Cr 12~18 12~20 16~26 Ni - - 6~22 기계적강도 기계적인성 내식성 내열성 용접성 알맞은열처리로광범 annealing으로최대연성과용체화처리로최대연성특성위한기계적성질을얻고내식성을얻을수있다. 과고내식성을얻을수있을수있다.( 강자성) ( 강자성) 다.( 비자성) Type 304, 304L 발전플랜트에서사 Type 316, 316L 용되는강종의대 Type 403, Type 410 Type 405 Type 321, Type 347 표예 Type 630, Type 631