KR100797281B1 - 초음파법에 의한 탄소강 페라이트 결정립 크기의 비파괴적측정방법 - Google Patents

초음파법에 의한 탄소강 페라이트 결정립 크기의 비파괴적측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파법에 의한 탄소강 페라이트 결정립 크기의 비파괴적 측정방법에 관한 것이며, 그 목적하는 바는 페라이트 평균 결정립의 크기를 초음파 감쇠계수를 측정함으로서, 감쇠의 변화와 탄소강에서 페라이트 평균결정립크기의 상관관계로부터 비파괴적으로 페라이트 결정립 크기를 측정할수 있는 방법을 제공하고자 하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 페라이트 + 퍼얼라이트의 2상 혼합조직을 갖는 탄소강의 감쇠계수(α)를 초음파 탐촉자를 사용하여 측정한 후, 측정된 α를 하기 식(1)에 대입하여 페라이트 결정립 크기를 계산하여 얻는 것을 특징으로 하는 초음파법에 의한 탄소강 페라이트 결정립 크기의 비파괴적 측정방법에 관한 것을 그 요지로 한다.
[수학식 1]
Dav = 1.79 + 22.97×α1/b
(b:2.01-2.03)
초음파, 탄소강, 페라이트 결정립, 비파괴, 감쇠계수

Description

초음파법에 의한 탄소강 페라이트 결정립 크기의 비파괴적 측정방법{A Nondestructive Measurement Method for Grain Size of Ferrite Crystal by Ultrasonic Method}
도 1은 감쇠계수와 페라이트로 평균 결정립크기와의 관계를 자연대수-자연대수 형태로 나타낸 그래프
도 2는 본 발명의 방법에 의해 산출된 페라이트 평균 결정립크기와의 광학현미경으로 측정된 페라이트 평균 결정립 크기의 상관관계를 나타낸 그래프
본 발명은 강판의 냉각후 상온에서 페라이트 결정립을 비파괴적으로 측정하는 방법으로써, 보다 상세하게는 페라이트 평균 결정립의 크기를 초음파 감쇠계수의 측정에 의해 감쇠 변화와 탄소강에서 페라이트 평균결정립크기의 상관관계로부터 비파괴적으로 측정할 수 있는 방법에 관한 것이다.
종래에는 강판의 페라이트 평균결정립 크기를 측정하기 위해서 강판의 기계적 절단, 마운팅, 폴리싱 등의 일련공정을 거친후 광학현미경 또는 주사전자 현미경을 이용하여 그 미세조직을 관찰하고 영상분석기를 동원하여 그 결정립 크기를 산출하였다. 따라서, 시편의 준비 및 페라이트 결정립 크기의 측정에 소요되는 인력과 시간이 다량 소요되어 비효율적 특성을 가지며, 제품의 손상없이 강판내 원하는 지점의 페라이트 평균결정립크기를 측정할 수 없었다.
이에, 본 발명자는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구와 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 페라이트 평균 결정립의 크기를 초음파 감쇠계수를 측정함으로서, 감쇠의 변화와 탄소강에서 페라이트 평균결정립크기의 상관관계로부터 비파괴적으로 페라이트 결정립 크기를 측정할수 있는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 페라이트 + 퍼얼라이트의 2상 혼합조직을 갖는 탄소강의 감쇠계수(α)를 초음파 탐촉자를 사용하여 측정한 후, 측정된 α를 하기 수학식(1)에 대입하여 페라이트 결정립 크기를 계산하여 얻는 것을 특징으로 하는 초음파법에 의한 탄소강 페라이트 결정립 크기의 비파괴적 측정방법에 관한 것이다.
Dav = 1.79 + 22.97×α1/b
(b: 2.02-2.04, R2: 96.31%, σ(standard deviation): 0.95, 감쇠계수 α의 단위는 Nepers/cm이고, 페라이트 결정립의 단위는 ㎛임)
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 초음파 탐촉자를 사용하여 감쇠계수를 측정하고 이를 이용하여 비파괴적으로 페라이트의 결정입 크기를 계측하는 것이다. 다음에서는 본 발명을 제안하게 된 이론적 배경을 설명한 후, 그 같은 배경에 의해 제안된 본 발명의 구성을 상세히 설명한다. 상기 초음파 탐촉자는 수침형이 바람직하지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
초음파가 재료를 전파할 때 결정입계에서 초음파의 산란에 의해 그 에너지가 지수적으로 감소하게 된다는 것은 이미 알려진 사실이다. 작은 진폭으로 주어진 평면파는 초음파 원으로 부터 거리 x에서 에너지 강도(I)는 하기 수학식(2)로 주어진다.
I= Io exp(-αx)
여기서, Io는 초기 에너지 강도를 나타내며, α는 감쇠계수를 각각 나타낸다. 감쇠는 주파수와 상관관계에 있고, 위상속도 보다 주파수에 의존하므로 쉽게 측정 가능하다. 일반적으로 감쇠측정은 주파수 의존성이 재료물성에 밀접하게 연결되므로 적정 주파수 범위 상에서 이루어질 때 유용하게 적용될수 있다. 그리고, 이러한 초음파의 감쇠계수는 초음파의 파장(λ)과 결정립크기(Dav)에 의존한다. λ<<Dav인 경우를 갖는 레일리(Rayleigh)산란 영역이라 부르며 이 영역에서 동일주파수를 갖는 초음파 탐촉자를 사용할 경우 결정립크기와 감쇠계수와 상관관계는 하기 수학식(3)로 표현되며, 수학식(3)를 이용하면 결정립 크기를 산출할 수 있게 된다.
Figure 112006054968484-pat00001
α ADav n
[여기서, A는 비례상수이며, n은 3의 값으로 주어진다.]
그러나, 상기 수학식(3)는 다음의 조건들을 만족할 때 적용가능하며, 실제 현장에서 생산된 강판에서 다음의 가정을 만족시키기 어려운 조건이기 때문에 실제 수학식(3)를 적용할 수 없다.
1) 결정립들의 이방성이 존재하지 않아야 한다.
2) 우선방위가 존재하지 않아야 한다.
3) 결정립이 등축정이어야 한다.
4) 공공이나 개재물을 갖지 않는 단일상의 결정입자를 가져야 한다.
따라서, 본 발명자는 탄소강 강판의 다양한 결정립 크기를 갖도록 열처리를 통해서 실험실적 및 현장 생산된 강판을 통하여, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
즉, 하기 표1과 같은 탄소강의 조성을 갖는 강판을 압연조건 및 열처리조건을 다양하게 변화시켜 페라이트의 평균결정립 크기를 변화시킨 후, 중심주파수 15MHz의 수침식 종파용 탐측자를 사용하여 감쇠계수를 측정하고 결정립크기와 감쇠계수와의 상관관계를 도 1에 나타내었다. 초음파 중심주파수가 15MHz일때 파장은 약 400μm이고 페라이트 결정립의 크기는 50μm이하이므로 레일리 산란(λ<<Dav) 영역에 속한다.
화학성분(wt%)
C Mn Si P S Ti Nb sol. Al N2
강종D 0.16 1.11 0.26 0.019 0.004 0.011 - 0.030 0.0035
강종N 0.16 1.10 0.26 0.019 0.004 0.012 0.010 0.028 0.0029
강종E 0.10 1.40 0.22 0.015 0.006 0.011 - 0.042 0.0025
실제 공업용 탄소강은 페라이트와 퍼얼라이트의 복합상을 가지므로 단일상도 아니며 결정립 크기가 등축상도 아니므로 새로운 형태의 관계식을 얻어야 평균 결정립 크기를 측정할 수 있다.
도 1에서 감쇠계수와 페라이트 평균 결정립 크기와의 관계를 자연대수-자연대수 형태의 그래프에서 얻어진 기울기는 수학식(3)에서 n값을 나타내며, 이 값이 약2.03임을 알 수 있으며, 이같은 작업을 여러번 행한 결과 그 값이 2.02-2.04정도의 값을 보였고, 2.03이 가장 근사값이었다. 그리고, 도 1에서 얻은 기울기 값과 측정된 초음파 감쇠계수(α)와 페라이트 결정립 크기와 (Dav)의 상관식을 다음 수학식(1)으로 주어진다.
[수학식 1]
Dav = 1.79 + 22.97×α1/b
(b: 2.02-2.04, R2: 96.31%, σ(standard deviation): 0.95, 감쇠계수 α의 단위는 Nepers/cm이고, 페라이트 결정립의 단위는 ㎛임)
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삭제
따라서, 감쇠계수 초음파에 의해 측정된 α값을 상기 수학식(1)에 대입함으로서, 페라이트 결정립의 크기를 계산할 수 있는 것이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
실시예
현장에서 생산된 인장강도 40~60kg/㎟급을 갖는 대표적인 일반압연 및 가속냉각 강재 28중을 채취하여 초음파 감쇠계수 측정을 하여, 상기 수학식(1)을 이용하여 결정립크기를 산출하였고자 하였다. 본 실시예에서는 상기 수학식(1)에 있어 b값을 2.03으로 하였다.
상기 현장에서 채취된 강판의 강종 및 화학조성은 하기 표2에 나타내었다. 하기 표2에서 SS400은 인장강도 40kgf/㎟ 급 일반구조용 탄소강을 나타내며, SM41B 및 SM50B와 SM490 강재는 인장강도 40~60kgf/㎟급 용접구조용강을 나타낸다. 그리고, NVA, LRA, AH & EH강은 40~60kgf/㎟ 급 조선용 강재를 의미하며, API X65는 항복강도 65ksi급 강판용 강판이며, S45C는 탄소함량 0.45%를 포함하는 기계구조용 탄소강을 의미한다.
이들 강판의 C 함량은 0.1%에서 0.49%까지 분포되어 있는 강판임을 볼 수 있다. 본 실시예에 사용된 강판의 두께는 6~40mm의 두께 범위를 가졌고 초음파 탐촉자는 수침용 중심주파수 15MHz를 사용하였다.
상기 조건으로 상기 현장 생산 강재를 사용하여 초음파 감쇠계수를 측정하였고, 또한 광학현미경으로 페라이트 평균 결정립 크기와 상분율을 측정하였다. 이같이 측정된 값들은 하기 표3에 나타내었으며, 퍼얼라이트 분율의 분포는 약 7%에서 73%를 보이고 있었다.
또한, 상기 측정된 초음파 감쇠계수를 상기 수학식(1)에 대입하여, 페라이트 평균결정립의 크기를 계산하였다. 이같이 계산된 값과 상기 광학현미경으로 측정된 페라이트 평균 결정립크기를 이용하여 도 2에 나타내었다.
순번 강종 화학조성(wt%)
C Mn Si Cr Mo Ni Nb Cu Ti V
1 SS400 0.126 0.70 0.24 0.024 0.009 0.020 - 0.016
2 SS400 0.162 0.54 0.27 0.026 0.007 0.025 - 0.016
3 SS400 0.150 0.81 0.25 0.021 0.011 0.019 - 0.020
4 SS400 0.199 0.68 0.23 0.012 0.007 0.013 - 0.019
5 SS400 0.193 0.85 0.26 0.025 0.013 0.025 - 0.037 -
6 SS490 0.181 1.45 0.27 0.021 0.018 0.018 0.017 0.020 0.001
7 SM41B 0.146 1.05 0.26 0.037 0.014 0.020 - 0.019 0.015
8 SM41B 0.204 1.13 0.26 0.026 0.015 0.031 0.026 0.004 0.005
9 SM50B 0.130 1.42 0.40 0.021 0.020 0.041 0.006 0.028 0.001
10 SM50B 0.135 1.32 0.39 0.015 0.016 0.018 0.021 0.009 0.001 -
11 API X65 0.104 1.58 0.28 0.042 0.017 0.029 0.041 0.032 0.001 0.056
12 NVA 0.156 1.50 0.41 0.021 0.020 0.031 - 0.021 0.013 0.005
13 NVA 0.162 0.57 0.25 0.016 0.008 0.018 0.014 0.002 -
14 NVA 0.127 0.63 0.24 0.015 0.009 0.030 - 0.022 -
15 NVA 0.184 0.70 0.24 0.017 0.010 0.031 - 0.021 -
16 LRA 0.166 1.49 0.40 0.020 0.021 0.031 0.019 -
17 LRA 0.152 1.52 0.40 0.017 0.019 0.030 - 0.011 0.002
18 LRA 0.117 0.64 0.25 0.013 0.010 0.023 0.022 - -
19 LRA 0.140 1.01 0.25 0.018 0.013 0.024 - 0.039 0.001 -
20 AH32 0.115 1.37 0.28 0.027 0.015 0.037 - 0.028 0.013 -
21 SM490 0.166 0.29 0.31 0.023 0.016 0.021 0.005 0.046 0.001 0.005
22 API X65 0.080 1.40 0.22 0.031 0.018 0.028 0.042 0.021 0.010 0.005
23 S45C 0.485 0.69 0.24 0.020 0.007 0.012 0.005 0.007 0.001 0.005
24 S45C 0.472 0.67 0.23 0.020 0.007 0.016 0.005 0.007 0.001 0.005
25 S45C 0.474 0.70 0.24 0.020 0.008 0.015 0.005 0.007 0.002 0.050
26 EH32 0.147 1.45 0.38 0.020 0.018 0.021 0.005 0.020 0.001 0.048
27 AH32 0.112 0.90 0.26 0.022 0.011 0.022 0.005 0.019 0.001 0.005
28 S45C 0.500 0.81 0.24 0.022 0.009 0.016 0.005 0.012 0.002 0.005
순번 감쇠계수 (Nepers/cm) Dav(μm) 상분율(%)_
Ferrite Pearlite
1 0.0644 7.93 88.9 11.1
2 0.0699 8.80 86.4 13.6
3 0.1105 10.46 85.1 14.9
4 0.3010 15.32 83.0 17.0
5 0.2456 13.81 82.1 17.0
6 0.1201 10.83 77.6 22.4
7 0.2296 13.81 84.6 15.4
8 0.2853 14.80 68.8 31.2
9 0.1445 11.21 75.5 24.5
10 0.1030 10.10 81.5 18.5
11 0.1000 3.83 87.9 12.1
12 0.0981 9.43 78.1 21.9
13 0.2194 13.34 86.1 13.9
14 0.1299 11.21 90.2 9.8
15 0.5095 18.86 82.8 17.2
16 0.2719 14.29 74.9 25.1
17 0.1250 11.21 78.0 22.0
18 0.1980 12.88 89.8 10.2
19 0.3927 17.00 86.0 14.0
20 0.0265 6.22 91.8 8.2
21 0.1001 10.10 80.2 19.8
22 0.0403 6.90 92.8 7.2
23 0.3520 15.86 26.6 73.4
24 0.2331 13.34 30.0 70.0
25 0.0510 7.66 33.8 66.2
26 0.0560 7.93 87.7 12.3
27 0.0490 7.93 94.7 5.3
28 0.1205 10.46 29.7 70.3
상기 표3에는 광학현미경 및 영상분석기를 이용하여 측정된 페라이트 평균 결정립크기와 상기 초음파 감쇠계수의 측정에 의해 수학식(1)로 산출된 페라이트 평균 결정립크기가 비교되어 나타나 있다. 또한, 도 2에는 본 발명에 의해 계산된 페라이트 결정립크기와 측정된 페라이트 결정립크기의 상관관계가 나타나 있다.
상기 표3 및 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 파괴적인 방법인 광학현미경 측정값과 초음파 감쇠계수로부터 계산된 값을 직선적인 관계를 잘 만족시키고 있음을 볼 수 있었다. 한편, 상기 표3에 보인 강종의 퍼얼라이트 분율이 5-75%이었다.
따라서, 본 발명에 의한 비파괴적 방법은 강판의 절단, 마운팅, 연마, 현미경 및 영상분석기를 이용하는 파괴적인 종래의 방법에 비해 경제적으로 아주 정도가 높은 페라이트 결정립을 측정할수 있는 방법임을 알 수 있었다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 강판의 강도, 파괴인성, 피로 및 크립특성에 지대한 영향을 주는 금속학적 인자인 페라이트 평균 결정립의 크기를, 초음파 감쇠계수를 측정하여 이를 이용함으로서, 비파괴적으로 손쉽게 측정할 수 있는 것이다.

Claims (2)

  1. 페라이트 + 퍼얼라이트의 2상 혼합조직을 갖는 탄소강의 감쇠계수(α)를 초음파 탐촉자를 사용하여 측정한 후, 측정된 α를 하기 [수학식 1]에 대입하여 페라이트 결정립 크기를 계산하여 얻는 것을 특징으로 하는 초음파법에 의한 탄소강 페라이트 결정립 크기의 비파괴적 측정방법
    [수학식 1]
    Dav = 1.79 + 22.97×α1/b
    (b: 2.02-2.04, R2: 96.31%, σ(standard deviation): 0.95, 감쇠계수 α의 단위는 Nepers/cm이고, 페라이트 결정립의 단위는 ㎛임)
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 b는 2.03인 것임을 특징으로 하는 초음파법에 의한 탄소강 페라이트 결정립 크기의 비파괴적 측정방법
KR1019990064139A 1999-12-28 1999-12-28 초음파법에 의한 탄소강 페라이트 결정립 크기의 비파괴적측정방법 KR100797281B1 (ko)

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