KR101140097B1 - 고강도 후강판의 취성 균열 전파 정지 성능의 판정 방법 - Google Patents

고강도 후강판의 취성 균열 전파 정지 성능의 판정 방법 Download PDF

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Abstract

고강도 후강판의 취성 균열 전파 정지 성능을 판별하는 방법이며, 표준 강을 사용하여 대형 시험 및 복합 소형 시험을 행하는 공정과, 상기 표준 강을 사용한 상기 대형 시험의 결과와 상기 복합 소형 시험의 결과의 상관 모델을 산출하는 공정과, 샘플 강을 사용하여 상기 복합 소형 시험을 행하는 공정과, 상기 샘플 강을 사용한 상기 복합 소형 시험의 결과를 상기 상관 모델에 대입하여 상기 샘플 강의 취성 균열 전파 정지 성능을 추산하는 공정을 포함하고, 상기 복합 소형 시험은 (a) 강판 표층부를 포함하는 표층 소형 시험편을 채취하는 공정과, (b) 강판 표층부를 포함하지 않는 1개소 또는 2개소 이상의 내부 영역으로부터 각각 내부 소형 시험편을 채취하는 공정과, (c) 상기 표층 소형 시험편을 사용하여 낙중 시험을 행하는 공정과, (d) 상기 내부 소형 시험편을 사용하여 취성 파면율 또는 흡수 에너지를 측정하는 소형 시험을 행하는 공정을 포함하고, 상기 복합 소형 시험은, 상기 표층 소형 시험편과 상기 내부 소형 시험편에 대해 각각 다른 방법으로 소형 시험을 행하는 것을 특징으로 하는, 고강도 후강판의 취성 균열 전파 정지 성능의 판정 방법.

Description

고강도 후강판의 취성 균열 전파 정지 성능의 판정 방법 {METHOD FOR DETERMINATION OF BRITTLE CRACK PROPAGATION STOPPING PERFORMANCE IN HIGH-INTENSITY THICK STEEL PLATE}
본 발명은 취성 균열의 전파로 발생하는 대규모의 손상이나 손괴를 방지할 필요가 있는 구조물의 건조에 사용하는 고강도 후강판의 취성 균열 전파 정지 성능을 간편하고 또한 합리적인 방법으로 추정하고, 고강도 후강판의 성능을 검사하는 방법에 관한 것이다.
본원은 2010년 3월 4일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2010-048417호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
용접 구조체인 컨테이너선이나 벌크 캐리어는, 탱커와 달리 선창(船倉) 내의 구획벽이 적고, 배의 상부가 크게 개방되어 있다. 반대로, 탱커는 유조에 의해 내부가 작게 구획되어 있고, 내부 벽이나 상부 갑판도 선체 강도를 담당하는 구조로 되어 있다.
이로 인해, 컨테이너선에서는 선체 구조의 강도를 확보하기 위해, 특히 선체 외판으로서 고강도 강판을 사용할 필요가 있다.
최근, 컨테이너선은 대형화되어, 6000 내지 20000 TEU(Twenty feet Equivalent Unit)의 대형 컨테이너선이 건조되고, 또한 계획되고 있다. 이에 수반하여, 선체 외판용의 강판은, 후육화하는 동시에, 고강도화되어, 판 두께 50㎜ 내지 100㎜이고, 항복 강도 390N／㎟급, 470N／㎟급의 후육의 강판(후강판)이 사용되게 되었다.
또한, TEU는 컨테이너선의 적재 능력을 나타내는 지표로, 길이 20피트의 컨테이너로 환산한 경우의 컨테이너의 개수로 표시한다.
상기한 바와 같이 선박 등에 사용되는 후강판에 있어서, 취성 균열 전파 정지 성능(이하 「어레스트 성능」이라 하는 경우가 있음)은, 후강판의 안전성을 평가하는 데 있어서 매우 중요한 특성으로 된다.
그 외에도, 수력 발전용의 수압 철관(펜스톡)에 사용하는 고강도 강재에서도, 어레스트 성능에 대한 요구가 높아지고 있다.
이 어레스트 성능의 향상을 도모하기 위해, 다양한 성분 조성이나, 제조 공정을 수반하는 강재, 혹은 다양한 대형 용접 구조체 등이 개발되고, 제조되고 있다. 이들 새롭게 개발된 강재의 어레스트 성능을 정량적으로 평가하기 위해서는, ESSO 시험(취성 균열 전파 정지 시험 : 시험편에 취성 균열을 인위적으로 발생시키고, 취성 균열을 정지시키는 성능을 평가하는 시험)이나, 이중 인장 시험 등의 대형 시험 등이 실시된다. 예를 들어, ESSO 시험의 경우, 치수가 500㎜×500㎜×판 두께 정도의 대형 시험편을 제작하고, 이 시험편의 단부에 V 절결을 형성한다. 시험편에는 온도 구배를 부여하고, V 절결에 쐐기를 통해 충격 하중을 부하시켜 가, 취성 균열을 인위적으로 발생시킨다. 시험체에 부가된 응력과, 취성 균열의 전파가 정지한 위치에서의 온도와, 균열의 길이에 기초하여 Kca값(파괴 인성값)을 산출한다.
온도 구배 조건 및 부하 하중 조건을 바꾸어 시험을 행하고, 균열 정지 온도와 Kca값의 관계를 구하고, 임의 온도에 있어서의 어레스트 성능을 Kca값으로 평가한다. 또한, 어레스트 성능의 지표로서, 소정의 Kca를 확보할 수 있는 한계 온도(최저 온도)를 목표 Kca 한계 온도라고 부르고, TKca라고 표기한다. 구체적으로는, 예를 들어 목표로 하는 Kca값이 6000N／㎜1.5인 경우의 목표 Kca 한계 온도는, TKca6000으로 표기된다.
강판을 컨테이너선 등의 강 구조물에 사용한 경우에는, 그 강 구조물의 설계 온도, 또는 최저 사용 온도가 정해져 있다. 소정의 강판에 대해 측정, 또는 추산한 TKca6000이 그 설계 온도 이하의 온도이면, 이 설계 온도에 있어서, 상기한 강판은 충분한 어레스트 성능을 확보할 수 있다고 평가한다.
그러나 Kca값을 실측하기 위해서는, 대형 시험편과 대형 시험기를 필요로 하여, 시험 결과를 얻을 때까지 많은 수고와 시간이 필요하다. 특히, 판 두께 50㎜ 이상인 후강판의 대형 시험에는, 1000톤 이상의 인장 하중을 부가하는 것이 가능한 대형 시험기를 필요로 하고 있었다. 따라서 종래의 강판의 성능 검사, 또는 품질 관리에서는, 후강판 전체의 어레스트 성능과, 후강판으로부터 채취한 소형 시험편을 사용한 간이한 소형 시험 결과의 상관 관계를 미리 구해 놓을 필요가 있었다(예를 들어, 특허 문헌 1 및 비특허 문헌 1 내지 3을 참조). 그리고 그 사전의 검토 결과를 사용하여, 필요한 어레스트 성능으로부터 산출되는 소형 시험의 요구값을 바탕으로, 제철소 등에서 제조되는 강판에 소형 시험을 행하고, 그 시험 결과가 소형 시험의 요구값을 만족하고 있는지를 판정하는 방법으로, 강판의 성능 검사, 또는 품질 관리가 행해져 왔다.
비특허 문헌 1에는, 판 두께 16㎜ 정도인 저온용 강의 어레스트 성능과 소형 시험의 상관 관계가 기재되어 있다. 비특허 문헌 2에는, 강판 표층부에 특수한 초미립 조직을 갖는 복층 구조의 강판의 어레스트 성능의 간이 평가법이 기재되어 있다. 비특허 문헌 3에는, 극후 고강도 790N／㎟급 강판에서 판 두께의 중심부, 1／4과 표면 아래 2㎜의 샤르피 충격 시험에서 구해진 파면 천이 온도로부터 어레스트 성능을 간이 평가하는 방법이 기재되어 있다.
일본 특허 출원 공개 제2007-302993호 공보
철강 협회 강연 개요, CAMP-ISIJ Vol.4(1991)-918, 「Kca와 소형 어레스트 시험법의 상관과 어레스트 성능 지배 인자」[강판의 어레스트 성능의 검토(5)] 세이부 조선회 회보 제106호(2003년 8월), P.275 내지 280, 「표층 초미립 강판의 어레스트 성능 간이 평가법(제1) - 어레스트 성능 추정식의 확립 -」 용접 학회 전국 대회 강연 개요, 제49집(1991년 8월 25일 발행), P.108 내지 109, 「극후 HT790의 어레스트성에 미치는 판 두께와 판압 방향 인성 분포의 영향」
대형 컨테이너선의 안전성 확보를 위해, 사용되는 판 두께 50㎜ 내지 100㎜이고, 항복 강도 390N／㎟급, 470N／㎟급의 후육의 강판(후강판)에는, -10℃에서 4000N／㎜1.5 내지 6000N／㎜1.5 정도의 어레스트 성능이 매우 중요한 것을 알 수 있었다. 이 어레스트성 요구에 따르기 위해, 고어레스트 성능을 갖는 강판이 개발되어 왔지만, 모든 강판에 대해 4000N／㎜1.5 내지 6000N／㎜1.5 정도의 어레스트 성능을 구비시키는 것은 용이하지 않았다. 이로 인해, 제철소에서 강판의 출하 시험 등에서 어레스트 성능을 확인하는 것이 요구되어 왔다. 그러나 상기한 바와 같이, 모든 강판에 대해 ESSO 시험 등의 대형 시험을 행하는 것은 곤란하다. 또한, 상기 대형 시험에서의 어레스트 성능과 소형 시험 결과의 상관에는 큰 편차가 있고, 편차를 고려하면, 제철소에서 안정적으로 제조할 수 없는 매우 엄격한 소형 시험 요구값으로 될 수밖에 없었다. 이로 인해, 판 두께 50㎜ 내지 100㎜이고, 항복 강도 390N／㎟급, 470N／㎟급의 후육의 강판에 대해, 고정밀도로 어레스트 성능을 소형 시험을 사용하여 간이 평가하는 방법이 요구되어 왔다.
따라서 본 발명자들은, 후강판 전체의 어레스트 성능과, 후강판으로부터 채취한 소형 시험편을 사용한 간이한 소형 시험 결과의 상관 관계를 지금까지보다도 현격히 고정밀도로 구하는 방법을 검토하였다.
본 발명자들은, 우선 복수의 조성ㆍ제법으로 고강도 후강판을 제조하고, 비특허 문헌 1 및 2에 개시되어 있는 방법에 의해, ESSO 시험에서 고강도 후강판의 Kca값을 구하였다. 또한, 상기한 후강판으로부터 소형 시험편을 채취하고, 이에 대해 각종 소형 시험(V 노치 샤르피 충격 시험, 낙중 시험 등)을 행하여 소형 시험편의 특성값을 구하였다. 또한, 얻어진 대형 시험의 결과인 Kca값과, 소형 시험편의 특성값의 대응 관계를 조사하였다. 상술한 바와 같이, 판 두께 20㎜ 정도인 강판에 관한 상관 관계를 구하는 기존의 방법으로, 소형 시험에서 구한 특성값과 어레스트 성능을 관계지은 경우, 충분한 정밀도의 상관 관계가 얻어지지 않는 것이 판명되었다.
따라서 본 발명은, 소형 시험법 및 그 평가 방법을 대폭으로 개선하여, ESSO 시험이나 이중 인장 시험의 대형 시험을 행하는 일 없이, 판 두께 50㎜ 이상인 고강도 후강판의 어레스트 성능을 간편한 방법으로 추정하고, 고강도 후강판의 성능을 검사하는 방법을 제공하는 것을 하나의 과제로 한다.
본 발명자들은 소형 시험의 결과와 어레스트 성능을 관계짓는 종래 방법을, 판 두께 50㎜ 이상인 고강도 후강판의 어레스트 성능과 소형 시험의 결과의 관계 지음에 적용할 수 없는 이유에 대해 예의 검토하였다. 특히, 광범위한 강종ㆍ제법의 강재에 있어서 적용 가능한 방법에 대해 검토를 행하였다. 그 결과, 「취성 균열이 발생하는 판 두께 방향의 위치에 따라, 취성 균열의 전파 거동이 다르고, 이 전파 거동의 차이가, 강판 전체의 어레스트 성능에 크게 영향을 미친다」라고 하는 지식을 얻는 것에 이르렀다.
본 발명자들은 상기 지식을 근거로 하여, 판 두께 50㎜ 이상인 고강도 후강판에 있어서의 취성 균열 전파 거동을 상세하게 조사하였다. 그 결과, 균열 전파 거동의 판 두께 방향에 있어서의 차이가 어레스트 성능의 평가에 반영되도록, 소형 시험편을 판 두께 방향을 따라 복수개 채취하고, 채취 위치에 따라 최적의 방법으로 소형 시험을 행하고, 시험 결과를 적절하게 조합시킴으로써, 조합 결과가 대형 시험에서 얻은 Kca값과 높은 정밀도로 대응 관계를 얻을 수 있는 것이 판명되었다.
또한, 더욱 상세한 조사의 결과, 균열 전파 거동의 판 두께 방향에 있어서의 차이가, 어레스트 성능의 평가에 반영되도록, 소형 시험편을 적어도 강판 표층과 강판 중앙부(판 두께 1／2)로부터 채취하고, 각각의 채취 위치에 적합한 방법으로 행한 복합 소형 시험의 결과가, 대형 시험에서 얻은 Kca값(파괴 인성값)과, 극히 좋은 상관 관계에 있는 것을, 본 발명자들은 발견하였다.
또한, 고강도 후강판의 어레스트 성능의 추정에 중요한 요소인, 강판 표층의 소형 시험편에 관한 특성 평가 방법을 검토한 결과, 최적의 방법이 낙중 시험인 것을 발견하였다. 또한, 강판 내부로부터 채취한 소형 시험편에 대해서는, 낙중 시험은 바람직하지 않고, 취성 파면율, 또는 흡수 에너지를 측정하는 소형 시험이 최적인 것을 발견하였다. 즉, 표층의 소형 시험편과, 내부의 소형 시험편에는 다른 방법의 소형 시험을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 지식에 기초하여 이루어진 것으로, 그 요지는 이하와 같다.
(1) 본 발명의 일 형태에 관한 고강도 후강판의 취성 균열 전파 정지 성능을 판별하는 방법은, 표준 강을 사용하여 대형 시험 및 복합 소형 시험을 행하는 공정과, 상기 표준 강을 사용한 상기 대형 시험의 결과와 상기 복합 소형 시험의 결과의 상관 모델을 산출하는 공정과, 샘플 강을 사용하여 상기 복합 소형 시험을 행하는 공정과, 상기 샘플 강을 사용한 상기 복합 소형 시험의 결과를 상기 상관 모델에 대입하여 상기 샘플 강의 취성 균열 전파 정지 성능을 추산하는 공정,을 포함하고, 상기 복합 소형 시험은 (a) 강판 표층부를 포함하는 표층 소형 시험편을 채취하는 공정과, (b) 강판 표층부를 포함하지 않는 1개소 또는 2개소 이상의 내부 영역으로부터 각각 내부 소형 시험편을 채취하는 공정과, (c) 상기 표층 소형 시험편을 사용하여 낙중 시험을 행하는 공정과, (d) 상기 내부 소형 시험편을 사용하여 취성 파면율 또는 흡수 에너지를 측정하는 소형 시험을 행하는 공정을 포함하고, 상기 복합 소형 시험은, 상기 표층 소형 시험편과 상기 내부 소형 시험편에 대해 각각 다른 방법으로 소형 시험을 행한다.
(2) 상기 (1)의 방법에 있어서, Y를 상기 표층 소형 시험편의 상기 낙중 시험의 결과인 NDT 온도, X1을 상기 내부 소형 시험편을 사용한 소형 시험의 결과인 파면 천이 온도 또는 흡수 에너지 천이 온도, a, b, d를 계수, 목표 Kca 한계 온도를 TKca라고 하면, 상기 상관 모델이, aㆍY＋bㆍX1＋d＝TKca이어도 된다.
(3) 상기 (2)의 방법에 있어서, 상기 샘플 강의 취성 균열 전파 정지 성능을 추산하는 공정에서는, 상기 샘플 강을 사용한 상기 복합 소형 시험의 결과인 Y' 및X1'를 상기 상관 모델에 대입함으로써 상기 샘플 강의 목표 Kca 한계 온도의 추산값인 TKca'를 산출하는 공정과, 상기 TKca'와 상기 표준 강의 실측된 목표 Kca 한계 온도인 TKca를 비교하고, TKca'≤TKca이었을 때에, 상기 샘플 강의 취성 균열 전파 정지 성능을 양호라고 판정하는 공정을 더 포함해도 된다.
(4) 상기 (1)의 방법에 있어서, Y를 상기 표층 소형 시험편의 상기 낙중 시험의 결과인 NDT 온도, X1을 제1 내부 영역으로부터 채취한 상기 내부 소형 시험편을 사용한 소형 시험의 결과인 파면 천이 온도, X2를 제2 내부 영역으로부터 채취한 상기 내부 소형 시험편을 사용한 소형 시험의 결과인 파면 천이 온도, a, b, c, d를 계수, 목표 Kca 한계 온도를 TKca라고 하면, 상기 상관 모델이, aㆍY＋bㆍX1＋cㆍX2＋d＝TKca이어도 된다.
(5) 상기 (4)의 방법은, 상기 샘플 강의 취성 균열 전파 정지 성능을 추산하는 공정에서는, 상기 샘플 강을 사용한 상기 복합 소형 시험의 결과인 Y', X1' 및X2'를 상기 상관 모델에 대입함으로써 상기 샘플 강의 목표 Kca 한계 온도의 추산값인 TKca'를 산출하는 공정과, 상기 TKca'와 상기 표준 강의 실측된 목표 Kca 한계 온도인 TKca를 비교하고, TKca'≤TKca이었을 때에, 상기 샘플 강의 취성 균열 전파 정지 성능을 양호라고 판정하는 공정을 더 포함해도 된다.
(6) 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 한 항의 방법에 있어서, 상기 내부 소형 시험편이, 세브론 노치 샤르피 충격 시험편, V 노치 샤르피 충격 시험편, 샤프 노치 샤르피 충격 시험편, 프레스 노치 샤르피 충격 시험편, 프리크랙 샤르피 충격 시험편, 3면 샤프 노치 샤르피 충격 시험편 및 U 노치 샤르피 충격 시험편 중 어느 하나이어도 된다.
(7) 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 한 항의 방법에 있어서, 상기 내부 영역이, 판 두께 중심부를 포함하지 않고, 또한 판 두께 중심부로부터 5㎜ 이내의 위치를 포함하는 영역이어도 된다.
(8) 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 한 항의 방법에 있어서, 상기 내부 영역이, 판 두께 1／4의 위치를 포함하는 영역이어도 된다.
(9) 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 한 항의 방법에 있어서, 상기 고강도 후강판의 항복 강도가, 240 내지 1000N／㎟이며, 상기 고강도 후강판이, 대형 선체 또는 수압 철관용 강판이어도 된다.
(10) 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 한 항의 방법에 있어서, 상기 표층 소형 시험편 및 상기 내부 소형 시험편의 두께가, 10 내지 25㎜이어도 된다.
(11) 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 한 항의 방법에 있어서, 상기 고강도 후강판의 판 두께가, 50㎜ 이상이어도 된다.
(12) 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 한 항의 방법에 있어서, 상기 낙중 시험에 있어서, 상기 표층 소형 시험편의 표면 중, 상기 샘플 강의 표층측에 대응하는 면에 취화 용접 비드를 설치하고, 상기 내부 소형 시험편의 표면 중, 상기 샘플 강의 두께 방향을 따라 노치를 설치해도 된다.
본 발명에 따르면, 대형 용접 구조물에 사용하는 고강도 후강판의 어레스트 성능을 평가할 때에, 제조되는 각 로트의 강편마다 ESSO 시험용의 시험편과 같은 대형 시험편이나, 1000톤 이상의 대형 파괴 시험기를 사용할 필요가 없다. 미리 표준 표본 강에 대해 한번의 대형 시험을 행하고, 동일한 표준 표본 강으로부터 채취한 소형 시험편에 대해 소형 시험을 행함으로써, 대형 시험 결과와 소형 시험 결과 사이의 상관 관계를 구할 수 있다. 이 이후에, 복수의 제조 로트의 시험 강에 대해, 소형 시험편의 채취와 소형 시험을 행한다. 이들 소형 시험 결과에, 미리 구한 상기 상관 관계를 적용함으로써, 통상이라면 대형 시험에서만 얻어지는 각 시험 강의 어레스트 성능을, 간편하게 추정할 수 있다. 또한, 시험 강 표층부로부터 채취한 소형 시험편에 대해서는, 낙중 시험을 사용한다. 한편, 시험 강 내부로부터 채취한 시험편에 대해서는, 취성 파면율 또는 흡수 에너지를 측정하는 시험을 사용한다. 이에 의해, 어레스트 성능 추정의 정밀도를 향상시키고, 로트마다 대형 시험을 생략할 수 있다. 이 결과, 각 로트의 고강도 후강판이 대형 용접 구조체를 파괴하는 등의 치명적 대규모 손상이나 손괴를 방지할 수 있는지 여부를, 간편한 방법으로, 신속하고, 정확하게 평가할 수 있다. 따라서 본 발명의 방법은, 예를 들어 대형 용접 구조물에 사용하는 고강도 후강판의 생산 시의 품질 관리에, 유효하게 적용할 수 있다.
도 1a는 강판 중을 전파하는 취성 균열의 전파 거동을 모식적으로 도시하는 도면이다. 판 두께(T5)가 50㎜ 이상인 후강판에 있어서의 취성 균열의 전파 거동을 도시한다.
도 1b는 강판 중을 전파하는 취성 균열의 전파 거동을 모식적으로 도시하는 도면이다. 판 두께(T2)가 20㎜ 정도인 강판에 있어서의 취성 균열의 전파 거동을 도시한다.
도 2a는 후강판으로부터 소형 시험편을 채취하는 위치를 도시하는 도면이다.
도 2b는 후강판으로부터 소형 시험편을 채취하는 위치를 도시하는 도면이다.
도 3은 후강판으로부터 시험편을 채취하는 위치 및 방향을 도시하는 도면이다.
도 4a는 낙중 시험의 시험기 및 소형 시험편의 배치를 도시하는 개략도이다.
도 4b는 낙중 시험의 시험 결과의 판정 방법을 도시하는 개략도이다.
도 5a는 소형 시험편의 형상을 도시하는 도면으로, 낙중 시험편을 도시한다. 도면 중의 수치는 치수(단위 : ㎜)를 나타낸다.
도 5b는 소형 시험편의 형상을 도시하는 도면으로, V 노치 샤르피 충격 시험편을 도시하는, 개략 측면 및 정면도이다.
도 5c는 소형 시험편의 형상을 도시하는 도면으로, 1면 샤프 노치 샤르피 충격 시험편을 도시한다. 도면 중의 수치는 치수(단위 : ㎜)를 나타낸다.
도 5d는 소형 시험편의 형상을 도시하는 도면으로, 3면 샤프 노치 샤르피 충격 시험편을 도시한다. 도면 중의 수치는 치수(단위 : ㎜)를 나타낸다.
도 5e는 소형 시험편의 형상을 도시하는 도면으로, 세브론 노치 샤르피 충격 시험편의 형상을 도시한다.
도 6a 내지 도 6e는 비교예를 나타내고, V 노치 샤르피 충격 시험만을 사용한 복합 소형 시험과, 대형 시험에서 측정한 어레스트 성능의 상관예를 나타내는 도면이다. 소형 시험에는 다양한 위치로부터 채취한 시험편을 사용하였다. 도 6a는 도 2b에 도시하는 소형 시험편(10a) 또는 소형 시험편(11) 중 어느 하나를 사용한 경우의 상관도이다.
도 6b는 도 2b에 도시하는 소형 시험편(8a)을 사용한 경우의 상관도이다.
도 6c는 도 2b에 도시하는 소형 시험편(9a)을 사용한 경우의 상관도이다.
도 6d는 도 2b에 도시하는 소형 시험편(10a, 9a)을 양쪽 모두 사용하고, 얻어진 소형 시험 결과를 가중 평균한 경우의 상관도이다.
도 6e는 도 2b에 도시하는 소형 시험편(10a, 8a)을 양쪽 모두 사용하고, 얻어진 소형 시험 결과를 가중 평균한 경우의 상관도이다.
도 7a 내지 도 7e는 비교예를 나타내고, 세브론 노치 샤르피 충격 시험만을 사용한 복합 소형 시험과, 대형 시험에서 측정한 어레스트 성능의 상관예를 나타내는 도면이다. 소형 시험에는 다양한 위치로부터 채취한 시험편을 사용하였다. 도 7a는 도 2b에 도시하는 소형 시험편(10a) 또는 소형 시험편(11) 중 어느 하나를 사용한 경우의 상관도이다.
도 7b는 도 2b에 도시하는 소형 시험편(8a)을 사용한 경우의 상관도이다.
도 7c는 도 2b에 도시하는 소형 시험편(9a)을 사용한 경우의 상관도이다.
도 7d는 도 2b에 도시하는 소형 시험편(10a, 9a)을 양쪽 모두 사용하고, 얻어진 소형 시험 결과를 가중 평균한 경우의 상관도이다.
도 7e는 도 2b에 도시하는 소형 시험편(10a, 8a)을 양쪽 모두 사용하고, 얻어진 소형 시험 결과를 가중 평균한 경우의 상관도이다.
도 8a는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 방법을 사용한 복합 소형 시험 결과와, 대형 시험에서 측정한 어레스트 성능의 상관예를 나타내는 도면이다. 표층 소형 시험에 낙중 시험을, 내부 소형 시험에 세브론 노치 샤르피 충격 시험을 행하고, 이들의 결과를 가중 평균하여 사용하였다.
도 8b는 비교예에 관한 방법을 사용한 복합 소형 시험 결과와, 대형 시험에서 측정한 어레스트 성능의 상관예를 나타내는 도면이다. 표층 소형 시험으로서 낙중 시험을, 내부 소형 시험으로서도 낙중 시험을 행하고, 이들의 결과를 가중 평균하여 사용하였다.
도 8c는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 방법을 사용한 복합 소형 시험 결과와, 대형 시험에서 측정한 어레스트 성능의 상관예를 나타내는 도면이다. 내부 소형 시험편은 2개소로부터 채취하였다. 표층 소형 시험으로서 낙중 시험을, 내부 소형 시험으로서 세브론 노치 샤르피 충격 시험을 행하고, 이들 3개의 결과를 가중 평균하여 사용하였다.
도 8d는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 방법을 사용한 복합 소형 시험 결과와, 대형 시험에서 측정한 어레스트 성능의 상관예를 나타내는 도면이다. 도 8a와의 차이는, 내부 소형 시험에, 세브론 노치 샤르피 충격 시험 대신에 V 노치 샤르피 충격 시험을 행한 점이다.
도 9a, 도 9b는 소형 시험의 결과로부터 샘플 강의 어레스트 성능을 추산하기 위한 계수 결정의 공정을 나타내는 흐름도이다. 도 9a는 2점 계측의 경우의 공정을 나타낸다.
도 9b는 3점 계측의 경우에 추가되는 계수의 결정 공정을 나타낸다.
도 10a는 표층 초미립 강의 낙중 시험의 파면의 모식도이다.
도 10b는 일반 강의 낙중 시험의 파면의 모식도이다.
(제1 실시 형태)
이하, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 고강도 후강판의 취성 균열 전파 정지 성능의 판정 방법을, 도면에 기초하여 설명한다.
본 실시 형태의 판정 방법의 대상으로 하는 고강도 후강판은, 대형 선체용 또는 수압 철관용 강판으로, 판 두께가 50㎜ 이상, 항복 강도가 240 내지 1000N／㎟인 것이 바람직하다. 우선, 특정의 조성ㆍ제법으로 표준 강으로 되는 고강도 후강판을, 예를 들어 5 내지 10 제조하고, 비특허 문헌 1 및 2에 개시되어 있는 방법에 의해, ESSO 시험에서 고강도 후강판의 Kca값을 구한다. 또한, 상기한 표준 강의 후강판으로부터 소형 시험편을 채취하고, 이에 대해 후술하는 각종 소형 시험을 행하여 소형 시험편의 특성값을 구한다.
본 명세서에 있어서 소형 시험이라 함은, 상기한 바와 같이 준비된 시험재로부터, 그 일부를 잘라내어 소형 시험편을 채취하고, 이 소형 시험편을 사용하여 행하는 시험을 가리킨다. 이후에 상세하게 서술하는 바와 같이, 각종 소형 시험편의 채취는 시험재 중 1개소로부터 행해도 되고, 복수의 개소로부터 행해도 된다. 소형 시험은 부분 시험이라고 부를 수도 있다.
본 실시 형태는 고강도 후강판의 취성 균열 전파 정지 성능을, 소형 시험의 결과에 기초하여 추정할 때에, 소형 시험에 제공하는 소형 시험편을, 고강도 후강판의 판 두께 방향에 있어서 구분한 복수의 영역 중, 표면의 1개의 영역 및 내부의 적어도 1개의 영역으로부터 각각 채취하는 것을 특징으로 한다.
도 1a는 후강판(7)의 두께 방향을 따른 단면 모식도로, 강판 중을 화살표 방향으로 전파하는 취성 균열의 전파 거동을 모식적으로 도시한다. 지면(紙面) 상하 방향이 후강판(7)의 두께 방향이고, 상단부 및 하단부가 표리의 강판 표면을 나타낸다. 균열은 지면 좌측 단부의 강판 단부에 있어서 발생하고, 화살표 방향으로 전파하고 있다.
도 1a는 판 두께(T5)가 50㎜ 이상인 후강판(7)에 있어서의 취성 균열의 전파 거동을 도시하고, 도 1b는 판 두께(T2)가 20㎜ 정도인 강판에 있어서의 취성 균열의 전파 거동을 도시한다.
우선, 판 두께 50㎜ 이상인 후강판에 있어서의 취성 균열의 전파 거동과, 판 두께 20㎜ 정도인 강판에 있어서의 취성 균열의 전파 거동의 차이에 대해 설명한다.
지금까지, 판 두께 20㎜ 정도인 강판을 대상으로, 취성 균열 전파 특성과 소형 시험의 결과의 상관이 검토되어, 그 결과 취성 균열의 전파 기구는 다음과 같이 생각되고 있다.
도 1b에 도시한 바와 같이, 판 두께 20㎜ 정도인 강판(6)에서는, 취성 균열 전파면(Zd)의 균열 선단(d)[강판(6)의 판 두께 방향으로 형성되어, 표면에 도달하고 있음)이 화살표 방향으로 이동하여, 취성 균열이 전파된다. 취성 균열 전파면(Zd)은 강판(6)의 판 두께 방향을 따르는 연속면이므로, 소형 시험의 결과는 소형 시험편의 채취 위치(강판 표층부, 강판 중앙부)에 크게 영향받지 않아, 대략 일정값으로 되고, 이 값이 판 두께 20㎜ 정도인 강판의 취성 균열 전파 특성을 대표하게 된다.
그러나 판 두께 50㎜ 이상인 후강판에서는, 도 1a에 도시한 바와 같이, 후강판(7)의 판 두께 방향으로, 복수의 취성 균열 전파면(도면 중, Za, Zb, Zc)이 형성된다. 취성 균열 전파면(Za, Zb, Zc)의 각각은, 후강판(7)의 판 두께 방향을 따르는 연속면이다. 한편, 취성 균열 전파면끼리는, 후강판(7)의 판 두께 방향을 따라 불연속으로 존재한다. 즉, 일반적으로는 취성 균열 전파면(Za, Zb, Zc)은 각각, 판 두께 방향으로 대략 평행하여 서로 겹치지 않는 각각의 평면 상에 포함되어 있다. 그리고 균열 선단(a, b, c)이, 각각 독립적으로 화살표 방향으로 이동하여, 취성 균열이 진행된다.
즉, 도 1a의 도면 우측에 도시한 바와 같이, 취성 균열 전파면(Za, Zb, Zc)의 사이에 단차(점선으로 둘러싸인 위치를 참조)가 존재하는 경우가 있다. 그로 인해, 판 두께 50㎜ 이상인 후강판으로부터 소형 시험편을 채취하여 소형 시험을 행하는 경우, 시험 결과는 소형 시험편의 채취 위치의 영향을 받아 크게 분산된다. 결국, 판 두께 50㎜ 이상인 후강판으로부터 임의로 채취한 소형 시험편에 관한 시험 결과는, 단일 시험만으로는 판 두께 50㎜ 이상인 후강판의 취성 균열 전파 특성을 대표하는 데 있어서는 불충분하다.
이와 같이, 판 두께 50㎜ 이상인 후강판에 있어서의 취성 균열 전파 거동은, 판 두께 방향의 각 위치에 있어서의 취성 균열 전파 특성의 차이에 크게 영향을 받으므로, 판 두께 방향에 있어서 균일하지 않다.
여기서, 판 두께 50㎜ 이상인 후강판에 있어서의 판 두께 중심부의 균열 전파 거동과, 강판 표층부 근방의 균열 전파 거동이 다른 이유에 대해 설명한다.
판 두께 50㎜ 이상인 후강판의 판 두께 방향에 있어서, 취성 균열 전파 거동이 다른 원인은, 균열 선단이 판 두께 내부에서는 평면 변형 상태에 있고, 표면 근방에서는 평면 응력 상태에 있는 것에 관계된다. 즉, 후강판의 판 두께 내부에서는, 균열 선단이 평면 변형 상태에 있으므로, 균열 선단에 형성되는 소성 영역의 치수는, 판 두께 표면 근방에 존재하는 균열 선단의 소성 영역에 비해 작고, 그 결과 균열의 전파에 대한 저항이 작아져, 취성 균열이 진전되기 쉽게 되어 있다.
한편, 후강판의 표면 근방(표층부)에서는, 균열 선단은 평면 응력 상태에 있으므로, 균열 선단에 형성되는 소성 영역의 치수는, 판 두께 내부에 존재하는 균열 선단의 소성 영역의 치수보다 크고, 그 결과 취성 균열은 판 두께 내부에 비해, 전파되기 어렵게 되어 있다. 이로 인해, 표층부 근방에 시어립이 형성되어, 취성 균열 전파 정지 성능의 향상에 크게 기여하는 것은 널리 알려져 있다. 이와 같이, 강판의 표층부에서는 판 두께 내부와 전혀 다른 현상이 발생하고 있다. 본 발명자들은 표층부에서의 최적 시험 방법에 대해 검토한 결과, 표면의 취성 균열의 전파를 그대로 평가할 수 있는 낙중 시험이 가장 좋은 방법인 것을 발견하였다.
이와 같이, 판 두께 50㎜ 이상인 후강판에 있어서는, 취성 균열을 전파시키는 구동력으로 되는 균열 선단의 응력-변형장이나, 균열 선단의 소성 영역의 확산이, 판 두께 방향에서 다르므로, 취성 균열 전파 거동이 판 두께 방향에 있어서 다르다.
또한, 판 두께 50㎜ 이상인 후강판에서는, 제조 시에 판 두께 방향의 온도 이력이 다르고, 또한 압연 시에 강판 내부에 작용하는 변형도 판 두께 방향에서 다른 경우가 있다. 이로 인해, 강판 조직의 결정립 직경이나 집합 조직이, 판 두께 방향에서 크게 다른 경우가 많다.
그로 인해, 판 두께 50㎜ 이상인 후강판으로부터, 임의의 위치에서 소형 시험편을 채취하여 소형 시험을 행한 경우, 시험 결과는 소형 시험편의 채취 위치의 영향을 받아 크게 분산되어, 판 두께 50㎜ 이상인 후강판 전체의 취성 균열 전파 특성을 대표하지 않는다.
본 실시 형태에 있어서는, 판 두께 50㎜ 이상인 후강판의 취성 균열 전파 거동이, 판 두께 방향에 있어서 다른 것을 근거로 하여, 소형 시험에 제공하는 소형 시험편을, 고강도 후강판의 판 두께 방향에 있어서 구분한 복수의 영역으로부터 채취한다.
이후의 기재에 있어서, 후강판의 표면, 또는 표면 아래 2㎜ 정도까지의 위치를 적어도 포함하도록 채취한 시험편을 표층 소형 시험편이라고 부른다. 본 실시 형태에서는 표층 소형 시험편에 더하여, 후강판의 두께 방향 내부에 있어서, 1개소의 위치로부터 시험편을 채취한다. 후술하는 제2 실시 형태와 같이 2개소 이상의 위치로부터 시험편을 채취하는 것이 더욱 바람직하다. 이후의 기재에 있어서, 이와 같은 후강판의 표면 부분을 포함하지 않고, 후강판의 두께 방향에서 표면 아래 10㎜ 이상의 내부로부터 채취된 시험편을, 내부 소형 시험편이라고 부른다.
내부 소형 시험편을 채취하는 경우, 채취 위치는 후강판의 판 두께 중심부(중심 편석부)를 피하는 것이 바람직한 경우가 있다. 도 2a에 도시한 바와 같이, 후강판(7)의 판 두께 중심부로부터 소형 시험편(8)을 채취하면, 시험 결과는 판 두께 중심부의 취성 균열 전파 거동을 나타낸다고 통상적으로 생각된다. 그런데 연속 주조 프로세스에서 제조한 강판에는, 판 두께 중심부에 중심 편석부라고 불리는 합금 원소 농화 영역이 존재하는 경우가 많고, 중심 편석이 현저한 경우에는, 이 중심 편석부가 취성 균열의 전파에 크게 영향을 미친다고 생각된다.
따라서 본 발명자들은, 취성 균열 전파 거동에 미치는 중심 편석부의 영향을 실험적으로 검토하였다. 그 결과, 취성 균열 전파 거동에 대한 국소적인 중심 편석부의 직접적인 영향은 작은 것이 판명되었다.
한편, 다른 실험의 결과, 중심 편석부는 취성 균열 발생 특성을 현저하게 저하시키는 원인으로 되어 있는 것이 판명되었다. 소형 시험 결과는 취성 균열 발생 특성과 취성 균열 전파 특성이 중첩된 결과이다. 따라서 취성 균열 전파 성능이 동일해도, 중심 편석부가 취성 균열 발생 특성에 크게 영향을 미치면, 소형 시험의 결과에 큰 차이가 발생하여, 취성 균열 전파 특성을 정확하게 추정할 수 없다고 하는 문제가 발생한다.
따라서 본 발명자들은 후강판 내부에 있어서 중심 편석이 현저한 경우에는, 도 2a에 도시한 바와 같이, 소형 시험편을 취성 균열 전파면이 중심 편석부를 포함하지 않는 영역(9)에서 채취하는 것이 바람직한 것을 발견하였다. 또한, 후강판 내부에 있어서 중심 편석이 현저하지 않은 경우에는, 판 두께 중심부를 포함하는 소형 시험편을 채취해도 된다.
후강판의 판 두께 중심부 근방에서, 판 두께 중심부를 포함하지 않는 소형 시험편을 채취하는 경우, 판 두께 중심부로부터 두께 방향으로 0.1㎜ 이상 이격된(보다 바람직하게는 1㎜ 이상 이격된) 영역을 채취하는 것이 바람직하고, 또한 판 두께 중심부로부터 5㎜ 이내의 위치를 포함하는 영역을 채취하는 것이 바람직하다. 후강판의 판 두께 중심부를 포함하지 않고, 판 두께 중심부로부터 5㎜ 이내의 위치를 포함하도록 채취한 소형 시험편에 관한 시험 결과는, 중심 편석부의 영향이 배제되어 있으므로, 판 두께 중심부의 취성 균열 전파 특성을 정확하게 나타내게 된다.
도 2a에 도시한 바와 같이, 균열 선단이 평면 응력 상태에 있어, 취성 균열이 전파되기 어려운 강판 표면 근방(표층부)으로부터 소형 시험편(10)을 채취하는 경우, 강판 표면을 포함하는 시험편(표층 소형 시험편)을 채취하는 것이 가장 바람직하다. 강판의 제조 후, 강판 표면에 스케일, 탈탄 부분 등, 강판 내부와 비교하여 크게 특성이 다른 층이 존재하는 경우에는, 이들 층을 가능한 한 얇게 절삭하여 배제하고나서 시험편을 채취해도 된다. 표면을 절삭하는 경우라도, 강판 표면으로부터 2㎜를 초과하여 크게 절삭하면, 강판 표면의 균열 전파 특성을 대표하는 시험편이 얻어지지 않을 우려가 있다. 스케일, 탈탄 부분 등의 영향을 피하기 위한 것 등의 이유에 의해, 강판 표면을 절삭하는 경우라도, 강판 표면 2㎜ 이내로 할 필요가 있다. 본 실시 형태에서는 표층 소형 시험편은 도 2b에 도시하는 위치 12로부터 채취하고, 내부 소형 시험편은 도 2b에 도시하는 9a의 1개소로부터 채취한다.
또한, 내부 소형 시험편으로서, 도 2b에 도시하는 위치 9a 대신에 후강판의 표면으로부터, 판 두께 1／4의 깊이 위치(도 2b에 도시하는 위치 11)를 포함하는 소형 시험편을 채취해도 된다. 후강판의 판 두께 1／4의 위치를 포함하는 영역은, 도 1a에 도시하는 취성 균열 전파면(Za, Zc)을 포함하는 영역의 취성 균열 전파 거동을 대표할 수 있는 영역이므로, 소형 시험편을 채취하는 영역으로서 바람직한 영역의 하나이다.
도 2b에 소형 시험편의 채취의 형태를 도시한다. 소형 시험편(9a)은 판 두께 중심부로부터 5㎜ 이내의 위치를 포함하는 소형 시험편이다. 소형 시험편(10a)은 강판 표면 아래 2㎜의 위치를 포함하는 소형 시험편이다. 소형 시험편(11)은 후강판의 판 두께 1／4의 위치를 포함하는 소형 시험편을 채취하는 형태이다. 소형 시험편(8a)은 판 두께 중심부를 포함하는 소형 시험편이다. 소형 시험편(12)은 강판 표면 아래 2㎜의 위치 및 강판 표면을 포함한다.
그리고 내부 소형 시험은, 시어립의 영향을 피하기 위해, 강판 표면으로부터 10㎜ 이상 이격되도록 채취할 필요가 있다. 내부 소형 시험편으로서는, 판 두께 중심부를 포함하는 시험편, 또는 판 두께 중심부로부터 5㎜ 이내의 위치를 포함하도록 채취한 시험편, 후강판의 판 두께 1／4의 위치를 포함하도록 채취한 소형 시험편 등을 사용할 수 있다.
내부 소형 시험편의 후강판의 판 두께 방향을 따른 치수는, 취성 균열 전파면의 폭에 대략 대응시켜, 10 내지 20㎜로 하는 것이 바람직하다. 판 두께가 50㎜ 이상인 후강판의 경우, 판 두께 방향에서 취성 균열 전파 거동이 다르므로, 판 두께 방향을 따라, 복수의 소형 시험편을 채취하는 것이 보다 바람직하다.
이와 같이, 소형 시험편을 채취하여 소형 시험을 함으로써, 판 두께 방향에서 다른 취성 균열 전파 거동에 대응하는 시험 결과를 얻을 수 있다. 이 시험 결과에 기초하여, 판 두께 50㎜ 이상인 후강판의 어레스트 성능을 추정할 수 있다. 이 추정의 방법에 대해서는 후술한다.
후강판의 표층 부분 이외의 영역으로부터 채취한 소형 시험편(내부 소형 시험편)을 사용하여 행하는 소형 시험은, 취성 파면율 또는 흡수 에너지를 측정하는 소형 시험이면, 특정의 시험으로 한정되지 않는다. 이와 같은 시험의 경우, 소형 시험편이 내부를 균열이 진행할 때의 거동을 충분히 평가할 수 있다.
예를 들어, 각종 샤르피 타입 충격 시험편, 구체적으로는 V 노치 샤르피 충격 시험편, 샤프 노치 샤르피 충격 시험편, 프레스 노치 샤르피 충격 시험편, 프리크랙 샤르피 충격 시험편, 3면 샤프 노치 샤르피 충격 시험편, 세브론 노치 샤르피 충격 시험편 및 U 노치 샤르피 충격 시험편을 사용할 수 있다. 어떤 시험편에 있어서도, 충격 시험 시의 흡수 에너지를 측정할 수 있다. 또한, 파단면의 연성 파면율 또는 취성 파면율을 측정할 수 있다. 특정의 강재의 소형 시험에 있어서의 연성 파면율과 흡수 에너지 사이에는 보통 정의 상관 관계가 있다. 취성 파면율과 흡수 에너지의 측정에서는, 모두 소형 시험편의 표면 부분뿐만 아니라, 시험편 내부를 포함하고, 시험편의 단면 전체에 대해 응력이 작용한 결과가 적분적으로 축적되어 충분히 시험 결과에 반영된다. 이로 인해, 내부 소형 시험편의 평가 방법으로서, 취성 파면율(또는 연성 파면율) 또는 흡수 에너지의 측정을 행함으로써, 후강판 내부에 있어서의 취성 균열 전달 특성을 고정밀도로 평가할 수 있는 것으로 생각된다. 또한, 연성 파면율과 취성 파면율을 합계하면 100％로 되므로, 취성 파면율 대신에, 연성 파면율을 사용해도 된다.
이에 대해, 내부 소형 시험으로서 낙중 시험을 사용하면, 내부 소형 시험편을 작성할 때에 자의적으로 형성된 표면에, 취화 용접 비드(크랙 개시 웰드)를 배치하게 된다. 이로 인해, 후강재에 본래 존재하는 표면과는 다른, 자의적인 시험편 표면에 있어서의 균열 전파 특성에 직접 의존하는 시험 결과가 얻어진다. 이 경우, 본래의 후강재의 취성 균열 전파 특성을 반드시 정확하게 평가할 수 있는 것은 아니다.
V 노치 샤르피 충격 시험이나 낙중 시험은, ASTM 규격이나 JIS 규격에 준거한 시험법을 사용하여 행해도 된다. 세브론 노치 샤르피 충격 시험이나 샤프 노치 샤르피 충격 시험은, 취성 균열이 발생하기 쉽도록, 노치 형상을 고안하고, 취성 균열 전파 특성의 기여를 크게 추출할 수 있도록, 시험편의 형상을 조정하는 것이 바람직하다. 바람직한 시험편의 형상에 대해서는 후술한다.
도 5a 내지 도 5e에 적합한 소형 시험편의 형상을 도시한다. 도 5a는 낙중 시험편, 도 5b는 V 노치 샤르피 충격 시험편, 도 5c은 (1면)샤프 노치 샤르피 충격 시험편, 도 5d는 3면 샤프 노치 샤르피 충격 시험편, 도 5e는 세브론 노치 샤르피 충격 시험편의 대표적인 형상을 각각 도시한다.
본 실시 형태의 방법에 따라서 표층 소형 시험으로서 낙중 시험을 사용한 경우, 후강판의 최표면 부분의 취성 균열 전파 특성을 직접적으로 평가할 수 있다. 이로 인해, 표층 소형 시험을 V 노치 샤르피 충격 시험 등, 다른 방법으로 시험한 경우와 비교하여, 높은 정밀도로 후강판의 어레스트 성능을 평가할 수 있다.
또한, V 노치 샤르피 충격 시험은 취성 균열이 비교적 발생하기 어려운 조건으로 되므로, 그 시험 결과에서는 취성 균열 발생 특성이 지배적으로 되는 경우가 있다. 이와는 반대로, 소형 시험에 있어서, 취성 균열이 발생하기 쉬운 소형 시험편을 사용하면, 소형 시험 결과에 취성 균열 전파 특성을 크게 반영할 수 있는 경우가 있다.
그로 인해, 취성 균열이 발생하기 쉽게 고안한 소형 시험편을 사용하는 시험법을 채용하는 것이 보다 바람직하다. 예를 들어, 절결부를 슬릿 형상으로 가공하고, 또한 절결 형상을 세브론형으로 형성한 시험편을 사용하는 세브론 노치 샤르피 충격 시험이 보다 바람직하다.
세브론 노치 샤르피 충격 시험편(도 5e, 참조)의 치수에 대해, 판 두께 방향으로 채취한 치수가 10㎜ 정도이고, 본 실시 형태의 조건 내에 있으면, 취성 균열 전파 영역의 면적을 증대시킨 쪽이, 판 두께 50㎜ 이상인 후강판의 취성 균열 전파 정지 성능을 시험하는 대형 시험과의 상관을 보는 데 있어서 바람직하다. 도 5e에 있어서, R1로 나타내는 노치 골 부분이 이루는 각도는 60도보다 작고, 노치의 골 바닥 부분 바닥부의 곡률 반경은 0.1 내지 0.2㎜인 것이 바람직하다. 노치는 시험편의 폭 방향으로 연장되고, 정면 시점(시험편의 길이 방향을 따른 시점)에 있어서 산형으로 절곡되는 형상으로 가공된다. 산형의 정점 부분(도 5e의 R2)은 시험 중에 균열의 발생점으로 된다. 정점 부분(R2)에 있어서의 노치의 절곡의 곡률 반경은 0.1 내지 0.2㎜인 것이 바람직하다. R2 부분의 시험편 바닥부로부터의 높이는 10.5㎜로 하는 것이 바람직하다.
낙중 시험에서는, 도 5a에 도시한 바와 같이, 시험편의 표면에 용접부(용접 비드, 도 3의 101b)를 형성하고, 용접부에 절결(크랙 개시 웰드, 슬릿 가공)을 형성한다. 낙중 시험편(101)은 도 3에 도시한 바와 같이 후강판의 표층부를 포함하도록 채취된다. 즉, 낙중 시험편(101)의 한쪽의 표면(101a)이 후강판의 표면에 대응하도록 채취된다. 도 3에 모식적으로 도시한 바와 같이, 용접 비드(101b)는 이 표면(101a)에 형성한다.
취득한 시험편(101)을 사용하여, ASTM(Standards of American Society for Testing and Materials ; 미국 재료 시험 협회 규격)의 E208-06에 규정된 NRL(Naval Research Laboratory) 낙중 시험을 행한다. 시험편(101)의 한쪽의 표면(101a)에, 상기 규정을 따른 용접 재료로, 길이 방향으로 64㎜ 정도의 용접 비드(101b)를 부설한다(도 5a). 이 비드가 크랙 개시 웰드(Crack starter weld)로서 작용한다. 또한, 이 용접 비드(101b)에, 폭 1.5㎜ 이하의 슬릿을 형성한다.
다음에, 도 4a에 도시한 바와 같이, 낙중 시험기(200)의 시험편 설치대(200b)에 낙중 시험편(101)을 설치한다. 이때, 용접 비드(101b)가 형성된 표면(101a)이 하향으로 되도록 설치된다. 낙중 시험에서는, 규정의 형상ㆍ질량을 갖는 추(200a)가 시험편(101) 상으로 낙하한다. 시험편(101)의 강재의 인성이 낮으면, 시험 온도 등의 조건에 의해, 용접 비드의 절결로부터 발생한 취성 균열이, 시험편(101) 내부로 전파된다.
절결로부터 시작된 크랙이 시험편의 표면(101a)을 시험편(101)의 폭 방향으로 전파하여 그 단부까지 진행한 경우(도 4b의 상태), 시험 결과는 Break(균열 전파 있음)라고 판정된다. 폭 방향의 단부에 균열이 이르지 않았던 경우에는, 시험 결과는 No Break(균열 전파 없음)라고 판정된다. 상기 시험 조작을 시험편 온도를 5℃ 간격으로 변화시키면서 2개씩의 시험편으로 반복하여 행하고, 2개의 시험편 모두 no break가 얻어진 가장 낮은 온도로부터 5℃ 낮은 온도를, NDT 온도로 한다.
균열은 시험편을 관통하여 용접 비드 설치면(101a)과 반대측의 면으로 진행하는 경우도 있지만, 본 실시 형태에서 채용하는 낙중 시험에서는, 이 관통의 유무를 평가에 포함시키지 않는다.
낙중 시험에서의 NDT 온도를 어레스트 인성값 Kca의 간이 평가에 사용한 예로서, 표층 초미립 강이라고 하는 특수한 강판의 파괴 평가에 사용한 예가 있다(비특허 문헌 2). 표층 초미립 강에서는, 표층부에 대략 균일한 초미립 조직으로 취성 파괴하기 어려운 층이 존재한다. 상기 문헌에서는 표층 초미립 강의 평가에 낙중 시험이 사용되고 있다. 단, 이 문헌에서는 낙중 시험에서 발생시킨 취성 균열이, 표층 초미립 강을 관통하여 이면에 도달하는지 여부를 주요 평가 기준으로 하도록, 시험 조건, 상관식 등이 최적화되어 있다. 이로 인해, ASTM 규격의 낙중 시험의 일반적인 운용법과는 시험 전체의 용법 및 결과의 해석, 상관식 등이 크게 다르다. 즉, 이 선행 기술에서는 표층 초미립층의 특성 평가 전용의 특수한 상관식이 얻어지지만, 당해 상관식 등의 시험 조건을 일반 강재에 사용하는 것은 곤란하다. 또한, 상기 문헌의 시험에서는 비드 설치 면을 따른 형태의 균열의 전파는, 시험 결과에 직접 결정적 영향을 반드시 미치는 것은 아니다. 이것은, 표층 초미립 강에서는 균열이 표층 초미립 부분을 수직 방향으로 관통하고, 그 후 표층 초미립 부분의 내측(하측)을 균열이 전파한다고 하는, 특수한 전파 형태가 발생하기 때문이다. 도 10a에 이 표층 초미립 강의 낙중 시험의 파면의 모습을, 도 10b에 일반 강재의 낙중 시험의 파면의 모습을 도시한다. 표층 초미립 강의 낙중 시험에서는, 이 초미립 조직으로 이루어지는 표층부를 취성 균열이 관통하고, 도 10a의 영역(P)에 도달하면 시험편은 완전 파단한다. 영역(P)까지 균열이 관통하지 않는 경우에는 정지로 된다. 즉, 실질 초미립 영역의 경계까지 균열이 도달하면, Go(전파)라고 판정된다. 즉, 표층 초미립 강의 낙중 시험에서는, 초미립 조직으로 이루어지는 표층부만의 평가를 하고 있는 것과 동등하다. 한편, 일반 강재의 낙중 시험에서는, 취성 균열은 판 두께 방향, 시험편 폭 방향의 양 방향(도 10b의 화살표)으로 전파되고, 폭 방향의 관통에 의해 Break(균열 전파 있음)라고 판정된다. 이와 같이, 일반 강재의 낙중 시험에서는, 판 표면 근방의 판 표면에 평행한 취성 균열의 전파 특성을 평가하는 것인 점이 표층 초미립 강의 낙중 시험과는 크게 다르다. 이로 인해, 상기 문헌의 시험 방법은 표층 초미립 강에만 적용할 수 있는 조건으로 설정되어 있어, 일반 강의 시험에는 적용할 수 없다.
또한, 상기 문헌에서는 판 두께 내부도 낙중 시험에서 평가하고 있다. 판 두께 내부가 어레스트성에 기여하는 주된 메커니즘은, 취성 균열 전파 저항의 에너지이고, 시어립 형성의 에너지가 아니다. 이로 인해, 내부 시험편을 낙중 시험에서 평가하는 것은, 시험 강의 제조 뱃치별, 제조법별로 발생하는 강 성상의 편차에 기인하는 평가 오차의 원인으로 된다고 생각된다. 당해 강판에서는, 표층 초미립 영역의 어레스트 특성에 대한 기여가 매우 크기 때문에, 이와 같은 오차가 커지지 않고, 실용화되어 있다. 이로 인해, 당해 평가식은 일반 강재에는 적용할 수 없다.
한편, 일반적인 강재의 판 두께 표층의 평가에 관해서는, 최표면의 평가와, 내부의 평가에 각각 최적의 방법을 구분하여 사용하는 것이 중요해진다. 본 발명자들은 폭넓은 가공 조건ㆍ조성의 후강판에 있어서, 최표면의 평가로서 ASTM 규격에 규정되어 있는 낙중 시험의 NDT 온도가 적합한 것을 발견하였다. 본 실시 형태에서 사용하는 낙중 시험에서는, 시험편의 이면층에 균열이 도달하고 있는지 여부는 평가에 포함하지 않는다. 이 낙중 시험은 표층측의 기여가 가장 크고 이면측의 기여가 작은 시험법으로, 강재 표층의 시어립 효과의 평가에 적합하다.
본 실시 형태는, 후강판의 어레스트 성능에 관한 성능 검사 방법에 관한 것이다. 따라서 전술한 방법에 따라서, 판 두께 방향에 있어서의 총체적인 성능인 어레스트 성능을 추정하여 성능 보증을 하는 방법은, 모두 본 실시 형태의 기술 사상의 범위에 포함될 가능성이 있다. 또한, 본 발명의 범위는 첨부한 청구의 범위에 의해 정해진다.
본 실시 형태는 소형 시험의 결과에 기초하여, 후강판의 어레스트 성능을 추정하는 것을 기본 사상으로 하는 것이고, 성분 조성에 기초하는 특성은 시험 결과에 나타난다. 이로 인해, 넓은 성분 조성의 후강판에 대해 본 실시 형태의 방법을 적용할 수 있다. 본 실시 형태에서 사용하는 후강판은, 공지의 성분 조성의 용접용 구조용 강으로 제조한 것이면 된다. 즉, 본 실시 형태에서 사용하는 후강판은, 공지의 성분 조성의 후강판이면 된다.
또한, 용접용 구조용 강으로서는, 예를 들어 질량％에서, C : 0.02 내지 0.20％, Si : 0.01 내지 1.0％, Mn : 0.3 내지 2.0％, Al : 0.001 내지 0.20％, N : 0.02％ 이하, P : 0.01％ 이하, S : 0.01％ 이하를 기본 성분으로 하고, 모재 강도나 조인트 인성의 향상 등, 요구되는 특성에 따라, Ni, Cr, Mo, Cu, W, Co, V, Nb, Ti, Zr, Ta, Hf, REM, Y, Ca, Mg, Te, Se, B 중 1종 또는 2종 이상을 함유한 후강판을 사용해도 된다.
상기 각종 표준 강의 복수 개소로부터 각각 채취한 소형 시험편에 대해, 상기한 방법으로 복수의 소형 시험(복합 소형 시험)을 행한다. 복합 소형 시험의 결과와, 최초에 행한 상기 각종 표준 강의 대형 시험 결과의 상관 모델을, 이하와 같이 산출하였다. 이 상관 모델의 목적은 복합 소형 시험으로부터 대형 시험에 의해 얻어지는 취성 균열 전파 정지 성능을 추정하는 것에 있다.
본 실시 형태에 사용된 상관 모델은, 상기 복수의 소형 시험 결과의 선형 가중 평균에 기초한다. 구체적인 상관식은,
Y : 표층 소형 시험편의 낙중 시험의 결과인 NDT 온도
X1 : 내부 소형 시험편을 사용한 소형 시험의 결과인 파면 천이 온도 또는 흡수 에너지 천이 온도
a, b, d : 계수
TKca : 목표 Kca 한계 온도
로 하고, 하기의 수학식 1로 나타낸다.
Figure 112012007372961-pct00001
도 9a에 상기 추정식의 각 계수(a, b, d)를 산출하는 방법의 흐름도를 나타낸다. 우선, 합격 여부 판정 기준으로부터, 선형에 의한 기울기, 즉 a와 b의 비를 구하고, 구한 비를 사용하여 Y＋aX／b와 TKca를 비교하여 상관식을 결정한다. 그때, 정밀도가 불충분하면, 제3 위치에서의 소형 시험을 사용하여 a : b를 변화시키고, 상기의 수순을 행하여 오차를 최소화한다.
상기 방법에 따라서, 소수의 표준 강을 사용하여, 상관 모델의 계수를 결정한다. 계수 결정에 의해 상관 모델이 완성된 시점에, 생산 라인 상의 보다 많은 샘플 강에 대해, 스크리닝을 행한다. 생산 라인으로부터 임의의 수의 샘플 강을 취득하고, 각 샘플 강으로부터, 표준 강에 행한 것과 동일한 방법으로 표층 소형 시험편(낙중 시험용) 및 내부 소형 시험편(취성 파면율 또는 흡수 에너지 측정용)을 취득한다. 표준 강과 마찬가지로, 소형 시험편에 대한 소형 시험을 행하고, 샘플 강의 복합 소형 시험 결과(표층 소형 시험 결과 Y' 및 내부 소형 시험 결과 X1')를 얻는다. 이 Y' 및 X1'를 앞에서 구한 상관 모델인 수학식 1에 대입함으로써 샘플 강의 목표 Kca 한계 온도의 추산값인 TKca'를 산출한다.
그리고 TKca'와 표준 강의 실측된 목표 Kca 한계 온도(ESSO 시험 결과)인 TKca를 비교하고, TKca'≤TKca이었을 때에, 상기 샘플 강의 취성 균열 전파 정지 성능을 양호라고 판정한다.
이 판정에서는 샘플 강에 대해 대형 시험을 생략할 수 있으므로, 다수의 샘플 강에 대해, 간이하게, 고정밀도로 취성 균열 전파 정지 성능을 추산할 수 있다.
(제2 실시 형태)
이하, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 고강도 후강판의 취성 균열 전파 정지 성능의 판정 방법을 설명한다. 상기 제1 실시 형태와 본 실시 형태의 차이는, 보다 고정밀도로 취성 균열 전파 정지 성능의 판정을 행하기 위해, 내부 소형 시험에 제공하는 내부 소형 시험편을 강판 내부의 2개의 영역으로부터 각각 채취하는 점이다. 이 제2 실시 형태에 관한 방법에서는, 표층 소형 시험편은 제1 실시 형태와 마찬가지로 도 2b에 도시하는 위치 12로부터 채취한다. 내부 소형 시험편은 도 2b에 도시하는 9a와 11의 2개소의 양쪽으로부터 채취한다. 표층 소형 시험으로서는, 제1 실시 형태와 마찬가지로 낙중 시험을 행한다. 2개소의 내부 소형 시험편을 사용한 내부 소형 시험은, V 노치 샤르피 충격 시험 또는 세브론 노치 샤르피 충격 시험을 행한다. 이들 3개의 소형 시험 결과를 가중 평균하여, 강판의 취성 균열 전파 정지 성능을 추산한다.
본 실시 형태에 사용되는 상관 모델은,
Y : 표층 소형 시험편의 낙중 시험의 결과인 NDT 온도
X1 : 제1 내부 소형 시험편을 사용한 소형 시험의 결과인 파면 천이 온도 또는 흡수 에너지 천이 온도
X2 : 제2 내부 소형 시험편을 사용한 소형 시험의 결과인 파면 천이 온도 또는 흡수 에너지 천이 온도
a, b, c, d : 계수
TKca : 목표 Kca 한계 온도
로 하고, 하기의 수학식 2로 나타낸다.
Figure 112012007372961-pct00002
각 계수를 구하는 방법은 상기 제1 실시 형태에 준하여, 도 9b의 흐름도에 따라서 행한다.
계수 결정 후, 생산 라인으로부터 샘플 강을 샘플링하고, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 샘플 강의 복합 소형 시험을 실시한다. 이 실시 형태의 경우, 샘플 강으로부터 표층 소형 시험편, 제1 내부 소형 시험편(도 2b의 위치 9a), 제2 내부 소형 시험편(도 2b의 위치 11)의 3편을 취득한다. 표층 소형 시험편에 대해서는 낙중 시험, 제1ㆍ제2 내부 소형 시험편에 대해서는 V 노치 샤르피 충격 시험 또는 세브론 노치 샤르피 충격 시험을 행하고, 복합 소형 시험 결과를 취득한다. 샘플 강의 상기 복합 소형 시험의 결과인 Y', X1' 및 X2'를 앞에서 구한 상관 모델인 수학식 2에 대입함으로써 샘플 강의 목표 Kca 한계 온도의 추산값인 TKca'를 산출한다.
그리고 TKca'와 표준 강의 실측된 목표 Kca 한계 온도인 TKca를 비교하고, TKca'≤TKca이었을 때에, 상기 샘플 강의 취성 균열 전파 정지 성능을 양호라고 판정한다.
실시예
다음에, 본 발명의 각 실시 형태의 실시예에 대해 설명한다. 실시예의 조건은 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위해 채용한 조건의 예이고, 본 발명의 적용 범위는 이 일 조건예로 한정되는 것이 아니다. 본 발명은 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한에 있어서, 다양한 조건을 채용할 수 있는 것이다.
(제1 실시예)
본 실시예에서 사용한 강판의 성분 조성을 표 1에 나타낸다. 각 강판 제조 시의 주요 압연 조건, 냉각 조건, 열처리 조건, 판 두께 및 항복 강도 YS 등을, 표 2에 나타낸다. 이들 판 두께 70㎜인 후강판으로부터, 도 2b에 도시하는 채취 형태로, 소형 시험편을 채취하였다. 후술하는 표 3에 각 강 샘플에 대해 실시한 소형 시험의 종류와 소형 시험편의 채취 위치를 나타낸다.
Figure 112012007372961-pct00003
Figure 112012007372961-pct00004
V 노치 샤르피 충격 시험의 결과는, 연성 취성 파면 천이 온도로 불리는 50％ 취성 파면율을 나타내는 온도 : vTrs로 나타낸다. 세브론 노치 샤르피 충격 시험의 결과는, 70J의 흡수 에너지를 확보할 수 있는 천이 온도로 나타낸다. 샤프 노치 샤르피 충격 시험의 결과는, 40J의 흡수 에너지를 확보할 수 있는 천이 온도로 나타낸다.
다음에, 소형 시험 결과와, 각 강재에 대해 실시한 대형 시험에서 측정한 어레스트 성능 Kca의 상관에 대해 설명한다. 소형 시험은 본 실시 형태에 관한 방법 및 비교예에 관한 방법을 사용하여 행하였다.
도 6a 내지 도 6e는 비교예에 관한 결과를 나타내고, V 노치 샤르피 충격 시험만을 사용한 소형 시험과, 대형 시험에서 측정한 어레스트 성능의 상관예를 나타내는 도면이다. 소형 시험에는 다양한 위치로부터 채취한 시험편을 사용하였다.
V 노치 샤르피 충격 시험편(시험편 두께 : 10㎜)은, JIS에 규정되어 있는 표준 시험편이다(도 5b, 참조).
도 6a는 도 2b에 도시하는 소형 시험편(10a) 또는 소형 시험편(11) 중 어느 하나를 사용한 경우의 상관도이다.
도 6b는 도 2b에 도시하는 소형 시험편(8a)을 사용한 경우의 상관도이다.
도 6c는 도 2b에 도시하는 소형 시험편(9a)을 사용한 경우의 상관도이다.
도 6d는 도 2b에 도시하는 소형 시험편(10a, 9a)을 양쪽 모두 사용하고, 얻어진 소형 시험 결과를 가중 평균한 경우의 상관도이다.
도 6e는 도 2b에 도시하는 소형 시험편(10a, 8a)을 양쪽 모두 사용하고, 얻어진 소형 시험 결과를 가중 평균한 경우의 상관도이다.
또한, 가중 평균은 표층 시험 결과에 0.4, 내부 시험 결과에 0.6을 곱하여 가산함으로써 행하였다. 이 가중 계수를 구하는 수순은 후술한다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c에 나타내는 상관예에서는 크게 변동되어 있었던 상관 관계가, 도 6d에서는 약간 개선되어 있다. 또한, 중심 편석의 영향을 받은 시험편(8a)을 사용한 도 6e에서는, 도 6d보다도 상관의 편차가 크다. 그러나 소형 시험만을 출하 시험에 사용하여 어레스트 특성을 보증하기 위해서는, 도 6d의 상관을 더욱 향상시키는 것이 보다 바람직하다.
도 7a 내지 도 7e에, 판 두께 70㎜인 후강판 10종으로부터, 소형 시험편으로서 세브론 노치 샤르피 충격 시험편만을 채취하여 행한 소형 시험의 결과와, 대형 시험에서 측정한 어레스트 성능의 상관예를 나타낸다.
세브론 노치 샤르피 충격 시험편(시험편 두께 : 10㎜)에 대해서는, 도 5e에 구체적인 형상, 치수(단위 : ㎜)를 나타낸다.
소형 시험편의 형상과 소형 시험 방법이 다른 것 이외에, 소형 시험편의 채취 위치 및 결과의 정리 방법은, 도 6a 내지 도 6e의 경우와 동일하다.
세브론 노치 샤르피 충격 시험을 채용한 결과, 취성 균열 발생 특성의 기여가 작게 되었으므로, 도 7d에 나타내는 상관 관계는, 도 6d에 나타내는 상관 관계에 비해, 약간 상관도가 개선되어 있다.
도 7e에 도 2b에 도시하는 시험편(8a)을 사용한 경우에 있어서의 상관 관계를 나타낸다. 중심 편석을 포함하는 소형 시험편(8a)을 사용하고 있는 것이 원인으로, 세브론 노치 샤르피 충격 시험편이어도, 도 7d에 나타내는 상관 관계에 비해, 상관도는 양호하지 않다.
또한, 상세한 결과는 기술하지 않지만, 세브론 노치 샤르피 충격 시험편과 마찬가지로, 샤프 노치 샤르피 충격 시험편에서도, 취성 균열 발생 특성의 기여가 작게 억제되어 있으므로, V 노치 샤르피 충격 시험편을 사용하는 것보다도 상관도가 양호해지는 경향이 보인다.
1면 샤프 노치 샤르피 충격 시험편(시험편 두께 : 10㎜)에 대해서는, 도 5c에 구체적인 형상, 치수(단위 : ㎜)를 나타낸다. 시험재의 3면에 샤프 노치를 형성한 3면 샤프 노치 샤르피 충격 시험편(도 5d)을 사용할 수도 있다.
상술한 도 6a 내지 도 6e 및 도 7a 내지 도 7e에 나타내는 비교예의 소형 시험편의 시험 결과와, 대형 시험에서 측정한 Kca값이 6000N／㎜1. 5을 나타내는 온도 : TKca6000(℃)의 상관 관계로부터, 후강판의 Kca값을 추정하였다. 추정 결과를 표 3에 나타낸다. 표 3에는, 실제로 대형 시험에서 측정한 TKca6000을 아울러 나타낸다.
Figure 112012007372961-pct00005
표 3 중 VNC는 V 노치 샤르피 충격 시험편, CNC는 세브론 노치 샤르피 충격 시험편, NDT는 ASTM에서 규정되어 있는 낙중 시험편을 나타낸다. 도 5a에 구체적인 형상, 치수(단위 : ㎜)를 도시한다.
비교예 VNC에서는 표층 소형 시험, 내부 소형 시험의 양쪽에 V 노치 샤르피 충격 시험을 사용하였다.
비교예 CNC에서는 표층 소형 시험, 내부 소형 시험의 양쪽에 세브론 노치 샤르피 충격 시험을 사용하였다.
비교예 NDT에서는 표층 소형 시험, 내부 소형 시험의 양쪽에 낙중 시험을 사용하였다.
비교예 8a에서는 표층 소형 시험에도, 내부 소형 시험에도, V 노치 샤르피 충격 시험을 사용하였다. 다른 예에서는 내부 소형 시험의 시험편을 위치 9a로부터 채취하고 있는 것에 대해, 비교예 8a에서는 내부 소형 시험의 시험편을 위치 8a로부터 채취하고 있다.
발명예 CNC1에서는 표층 소형 시험에 낙중 시험을 사용하고, 내부 소형 시험에 세브론 노치 샤르피 충격 시험편을 사용하였다.
비교예 VNC, CNC에서는 소형 시험과 대형 시험의 차이가 강종에 따라 크게 달라, 충분한 정밀도의 추정치가 얻어지지 않는 강종이 있다.
비교예 8a는 중심 편석부를 포함하는 8a의 채취 위치의 소형 시험 결과를 사용한 것이지만, 추정 오차가 크게 되어 있다. 비교예 NDT에서는 비특허 문헌 2에 있는 표층 초미립 강과 관련되는 평가 방법을 적용하였지만, 일반 강재에서는 중앙부 시험편에 낙중 시험을 사용한 평가 방법은 정밀도가 낮은 것이 밝혀졌다. 발명예 CNC1에서는, 소형 시험으로부터 추정한 값과, 대형 시험에서 측정한 값의 차이는, 상기 비교예에 비해 작아, 소형 시험의 결과로 대형 시험의 결과를 공업적으로 고정밀도로 추정할 수 있는 것을 알 수 있다.
발명예 VNC에서는, 표면의 낙중 시험과 판 두께 내부의 V 노치 샤르피 충격 시험을 사용하여 상관을 구하였다. 상기 발명예 CNC1과 비교하여 약간 정밀도가 내려가지만, 비교예에 비해 고정밀도로 추정 가능한 것을 알 수 있다.
발명의 실시예에서는 오차가 비교적 작지만, 오차는 데이터 수에 의해 강하게 영향을 받으므로, 본 특허에 포함되는 실시예보다 데이터 수가 많은 경우에는 오차가 커지는 경향이 있다. 본 실시예의 오차는 N＝10의 경우의 데이터이고, N＞10의 경우에는 오차는 더욱 커진다. 즉, 실제의 강재 평가 시험으로서 N이 수십 내지 수백으로 되는 경우에는, 본 실시예보다 큰 오차로 된다고 예상된다. 그와 같은 경우라도 본 발명은 충분히 유용한 고정밀도의 간이 판정 방법을 제공하는 것이다.
도 8a는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 방법을 사용한 복합 소형 시험 결과와, 대형 시험에서 측정한 어레스트 성능의 상관예를 나타내는 도면이다. 표층 소형 시험편에 낙중 시험을, 내부 소형 시험편에 세브론 노치 샤르피 충격 시험을 행하고, 이들의 결과를 가중 평균하여 사용하였다. 비교예에 대해, 매우 높은 상관이 나타나 있다.
도 8b는 비교예 NDT에 관한 방법을 사용한 복합 소형 시험 결과와, 대형 시험에서 측정한 어레스트 성능의 상관예를 나타내는 도면이다.
(제2 실시예)
또한, 강 5, 강 7, 강 9, 강 10에서는, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 발명예 CNC1의 방법에 있어서도 추정 정밀도의 오차가 4℃ 이상이었다. 이로 인해, 소형 시험을 추가하여, 3위치에서의 소형 시험에 의한 추정을 시험해 보았다. 표 4에 발명예 CNC2로서 나타낸다. 발명예 CNC2에서는 오차가 더욱 작게 되어, 소형 시험 결과로부터 대형 시험의 결과를, 고정밀도로 추정할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 8c는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 방법을 사용한 복합 소형 시험 결과와, 대형 시험에서 측정한 어레스트 성능의 상관예를 나타내는 도면이다. 상기한 제1 실시 형태에서는, 표층 소형 시험편은 도 2b에 도시하는 위치 12로부터 채취하고, 내부 소형 시험편은 도 2b에 도시하는 9a의 1개소로부터 채취하였다. 제2 실시 형태에서는, 표층 소형 시험편은 도 2b에 도시하는 위치 12로부터 채취하고, 내부 소형 시험편은 도 2b에 도시하는 9a와 11의 2개소로부터 채취하였다. 표층 소형 시험편에 낙중 시험(NDT, 소형 시험 1)을, 2개소의 내부 소형 시험편에 세브론 노치 샤르피 충격 시험(CNC, 소형 시험 2, 3)을 행하고, 이들 3개의 소형 시험 결과를 가중 평균하여 사용하였다. 이 제2 실시 형태의 방법을 사용하면, 예측값과 실측값 사이에 본 시험 중 가장 높은 상관이 얻어지고 있다.
도 8d는 도 8a와 마찬가지로, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 방법을 사용한 복합 소형 시험 결과와, 대형 시험에서 측정한 어레스트 성능의 상관예를 나타내는 도면이다. 표층 소형 시험편에 낙중 시험을, 내부 소형 시험편에 V 노치 샤르피 충격 시험을 행하고, 이들의 결과를 가중 평균하여 사용하였다. 도 8a의 시험과, 도 8d의 시험의 차이는, 내부 소형 시험편이 세브론 노치 샤르피 충격 시험편(도 8a)인지, V 노치 샤르피 충격 시험편(도 8d)인지의 차이이다. 도 8d의 결과에서도, 비교예에 대해 충분히 높은 상관이 나타나 있다.
Figure 112012007372961-pct00006
제2 실시 형태에 관한 발명예 CNC2의 방법에서는, 강 5, 강 7, 강 9, 강 10에 있어서도, 실측 TKca6000을 고정밀도로 추정할 수 있게 되어 있다.
상기 설명한 제1 및 제2 실시 형태에 있어서, 각 발명예에서는, 소형 시험으로부터 추정한 값과 대형 시험에서 측정한 값의 차이가 비교예에 비해 작아, 소형 시험의 결과로 대형 시험의 결과를 공업적으로 고정밀도로 추정할 수 있다.
즉, 본 발명에 따르면, 소형 시험의 결과에 기초하여 추정한 어레스트 성능 Kca와, 실제의 대형 시험에서 얻은 어레스트 성능 Kca가, 넓은 강종, 공법에 걸쳐, 매우 고정밀도로 일치하는 것을 알 수 있다.
(제3 실시예)
다음에, 본원 발명의 효과를 보다 명확하게 나타내기 위해, 제1 및 제2 실시 형태 방법에 따라서, 더욱 다수의 샘플 강판의 취성 균열 전파 정지 성능을 판정하였다. 이 제3 실시예에서는 평가 대상으로 되는 샘플 강판의 수를 늘림으로써, 상기 제1 및 제2 실시 형태의 방법에 관한 평가 방법의 효과를 통계적으로 검토하였다. 강판의 제법, 강 성분, 복합 소형 시험의 방법 등은, 상기 제1 및 제2 실시예에 기재된 범위에 준하여 행하였다. 본 실시예의 검토 결과의 일람을 표 5에 나타낸다.
Figure 112012007372961-pct00007
표 5에 있어서, Y란은 표층 소형 시험, X1란은 제1 내부 소형 시험, X2란은 제2 내부 소형 시험의 시험 방식을 나타낸다. VNC는 V 노치 샤르피 충격 시험, CNC는 세브론 노치 샤르피 충격 시험, NDT는 낙중 시험, PCC는 프리크랙 샤르피 충격 시험을 나타낸다. 표준 편차란은 평가 강판(샘플 강판)에 대해, TKca 온도의 예측값에 대한 TKca 온도의 실측값의 표준 편차를 나타낸다. X2란의 공란은, 제2 내부 소형 시험편에 의한 실험을 행하고 있지 않는 것을 나타낸다.
이 실시예에서는, 판 두께 50㎜ 내지 80㎜인 조선용 고강도 강 EH40 강판, EH47 강판과, 판 두께 50㎜인 수압 철관용 HT100 강판의 평가를 실시하였다. 우선, 각 강 규격에 대해 8매의 표준 강판을 준비하고, 이들 표준 강판에 대해 ESSO 시험(대형 시험)을 행하여 TKca＝6000으로 되는 온도를 측정하였다. 또한, 동일한 표준 강판의 다양한 판 두께 위치로부터 소형 시험편을 채취하고, 상기 제1 실시 형태(시험 No5, 6, 7, 8, 13, 19, 20, 24) 또는 제2 실시 형태(시험 No14, 21, 22)에 따라서 각종 소형 시험을 실시하여 천이 온도를 측정하였다. 또한, 비교예로서 표층 소형 시험을 NDT 이외의 방법으로 행하는 복합 소형 시험을 실시하였다. 그리고 대형 시험 결과와, 복합 소형 시험 결과 사이의 상관식(구체적으로는, 상관식의 각 상수)을 구하였다.
다음에, 각 강판 규격에 대해, 20매 내지 60매의 평가 강판(샘플 강판)을 새롭게 준비하고, 이들 평가 강판에 대해 표준 강판과 동일한 각종 복합 소형 시험을 행하였다. 이 복합 소형 시험 결과를 상기 상관식에 대입하고, 각 평가 강판에 대한 TKca6000의 추정치를 얻었다. 또한, 검증의 목적으로, 이들 평가 강판으로부터 실제로 2체 내지 4체의 ESSO 시험편을 채취하고, 대형 시험인 ESSO 시험을 실시함으로써 TKca＝6000으로 되는 온도를 실측하였다. 이와 같이, 전체 평가 강판에 대해, 상기 TKca6000의 추정값과 실측값 사이의 차이를 구하고, 시험 번호마다 표준 편차를 산출하였다.
비교예의 시험에서는, 표준 편차가 가장 작은 경우에서 9.8℃(시험 No4)로 되어, 복합 소형 시험에 의한 예측에서는 충분한 정밀도가 얻어지지 않았다. 한편, 발명예에서는 가장 표준 편차가 큰 경우라도 5.8℃(시험 No19)이고, 2σ까지의 오차는 12℃ 이내로 고정밀도의 추정이 가능하였다. 또한, 70㎜ 내지 80㎜로 판 두께가 두꺼운 경우에는 표준 편차가 커지는 경향이 있었다. 그러나 제2 실시 형태에 따른 제2 발명예에서는, 1／4t 위치에서의 소형 시험 결과(X2)가 추가됨으로써, 더욱 정밀도가 높아지고, 고정밀도의 판별이 가능하게 되는 것이 확인되었다.
본 발명의 방법에 따르면, ESSO 시험과 같이, 대형 시험 장치를 필요로 하고, 고비용의 대형 시험을 생략하는 것이 가능해진다. 즉, 각 뱃치의 제품 강재로부터 샘플 강재를 선출하고, 이 샘플 강재로부터 잘라낸 소형 시험편을 사용하여 소형 시험을 행하고, 대형 시험과 동일한 높은 정밀도로 실제품의 어레스트 성능을 추정할 수 있다. 본 발명의 방법을 사용하면, 성분ㆍ공정 레벨의 품질 보증 대신에, 소형 시험에 기초한 각 뱃치의 제품 강재 레벨의 품질 보증을 제공할 수 있다.
Za, Zb, Zc, Zd : 취성 균열 전파면
a, b, c, d : 균열 선단
7 : 후강판
8, 8a, 9, 9a, 10, 10a, 11, 12 : 소형 시험편
101 : 낙중 시험편
101a : 한쪽의 표면
101b : 용접 비드
102 : 소형 시험편
103 : 소형 시험편
N : 노치
200 : 낙중 시험기
200b : 시험편 설치대
200a : 추

Claims (12)

  1. 고강도 후강판의 취성 균열 전파 정지 성능을 판별하는 방법이며,
    표준 강을 사용하여 대형 시험 및 복합 소형 시험을 행하는 공정과,
    상기 표준 강을 사용한 상기 대형 시험의 결과와 상기 복합 소형 시험의 결과의 상관 모델을 산출하는 공정과,
    샘플 강을 사용하여 상기 복합 소형 시험을 행하는 공정과,
    상기 샘플 강을 사용한 상기 복합 소형 시험의 결과를 상기 상관 모델에 대입하여 상기 샘플 강의 취성 균열 전파 정지 성능을 추산하는 공정을 포함하고,
    상기 복합 소형 시험은
    (a) 강판 표층부를 포함하는 표층 소형 시험편을 채취하는 공정과,
    (b) 강판 표층부를 포함하지 않는 1개소 또는 2개소 이상의 내부 영역으로부터 각각 내부 소형 시험편을 채취하는 공정과,
    (c) 상기 표층 소형 시험편을 사용하여 낙중 시험을 행하는 공정과,
    (d) 상기 내부 소형 시험편을 사용하여 취성 파면율 또는 흡수 에너지를 측정하는 소형 시험을 행하는 공정을 포함하고,
    상기 복합 소형 시험은, 상기 표층 소형 시험편과 상기 내부 소형 시험편에 대해 각각 다른 방법으로 소형 시험을 행하는 것을 특징으로 하는, 고강도 후강판의 취성 균열 전파 정지 성능의 판정 방법.
  2. 제1항에 있어서, Y를, 상기 표층 소형 시험편의 상기 낙중 시험을, ASTM(미국 재료 시험 협회 규격)의 E-208-06에 규정된 NRL 낙중 시험에 준거하여 행한 결과인 NDT 온도,
    X1을 상기 내부 소형 시험편을 사용한 소형 시험의 결과인 파면 천이 온도 또는 흡수 에너지 천이 온도,
    a, b, d를 계수,
    취성 균열 전파 정지 시험에서 실측된 상기 표준강의 파괴 인성값인 Kca값에 있어서, 소정의 Kca값을 확보할 수 있는 한계 온도인 목표 Kca 한계 온도를 TKca라고 하면,
    상기 상관 모델이,
    aㆍY＋bㆍX1＋d＝TKca
    인 것을 특징으로 하는, 고강도 후강판의 취성 균열 전파 정지 성능의 판정 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 샘플 강의 취성 균열 전파 정지 성능을 추산하는 공정에서는, 상기 샘플 강을 사용한 상기 복합 소형 시험의 결과인 Y' 및 X1'를 상기 상관 모델에 대입함으로써 상기 샘플 강의 목표 Kca 한계 온도의 추산값인 TKca'를 산출하는 공정과,
    상기 TKca'와 상기 표준 강의 실측된 목표 Kca 한계 온도인 TKca를 비교하고,
    TKca'≤TKca
    이었을 때에, 상기 샘플 강의 취성 균열 전파 정지 성능을 양호라고 판정하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 고강도 후강판의 취성 균열 전파 정지 성능의 판정 방법.
  4. 제1항에 있어서, Y를, 상기 표층 소형 시험편의 상기 낙중 시험을, ASTM(미국 재료 시험 협회 규격)의 E-208-06에 규정된 NRL 낙중 시험에 준거하여 행한 결과인 NDT 온도,
    X1을 제1 내부 영역으로부터 채취한 상기 내부 소형 시험편을 사용한 소형 시험의 결과인 파면 천이 온도,
    X2를 제2 내부 영역으로부터 채취한 상기 내부 소형 시험편을 사용한 소형 시험의 결과인 파면 천이 온도,
    a, b, c, d를 계수,
    취성 균열 전파 정지 시험에서 실측된 상기 표준강의 파괴 인성값인 Kca값에 있어서, 소정의 Kca값을 확보할 수 있는 한계 온도인 목표 Kca 한계 온도를 TKca라고 하면,
    상기 상관 모델이,
    aㆍY＋bㆍX1＋cㆍX2＋d＝TKca
    인 것을 특징으로 하는, 고강도 후강판의 취성 균열 전파 정지 성능의 판정 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 샘플 강의 취성 균열 전파 정지 성능을 추산하는 공정에서는, 상기 샘플 강을 사용한 상기 복합 소형 시험의 결과인 Y', X1' 및 X2'를 상기 상관 모델에 대입함으로써 상기 샘플 강의 목표 Kca 한계 온도의 추산값인 TKca'를 산출하는 공정과,
    상기 TKca'와 상기 표준 강의 실측된 목표 Kca 한계 온도인 TKca를 비교하고,
    TKca'≤TKca
    이었을 때에, 상기 샘플 강의 취성 균열 전파 정지 성능을 양호라고 판정하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 고강도 후강판의 취성 균열 전파 정지 성능의 판정 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 소형 시험편이, 세브론 노치 샤르피 충격 시험편, V 노치 샤르피 충격 시험편, 샤프 노치 샤르피 충격 시험편, 프레스 노치 샤르피 충격 시험편, 프리크랙 샤르피 충격 시험편, 3면 샤프 노치 샤르피 충격 시험편 및 U 노치 샤르피 충격 시험편 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 고강도 후강판의 취성 균열 전파 정지 성능의 판정 방법.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 영역이, 판 두께 중심부를 포함하지 않고, 또한 판 두께 중심부로부터 5㎜ 이내의 위치를 포함하는 영역인 것을 특징으로 하는, 고강도 후강판의 취성 균열 전파 정지 성능의 판정 방법.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 영역이, 판 두께 1／4의 위치를 포함하는 영역인 것을 특징으로 하는, 고강도 후강판의 취성 균열 전파 정지 성능의 판정 방법.
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고강도 후강판의 항복 강도가, 240 내지 1000N／㎟이며,
    상기 고강도 후강판이, 대형 선체 또는 수압 철관용 강판인 것을 특징으로 하는, 고강도 후강판의 취성 균열 전파 정지 성능의 판정 방법.
  10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표층 소형 시험편 및 상기 내부 소형 시험편의 두께가, 10 내지 25㎜인 것을 특징으로 하는, 고강도 후강판의 취성 균열 전파 정지 성능의 판정 방법.
  11. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고강도 후강판의 판 두께가, 50㎜ 이상인 것을 특징으로 하는, 고강도 후강판의 취성 균열 전파 정지 성능의 판정 방법.
  12. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 낙중 시험에 있어서, 상기 표층 소형 시험편의 표면 중, 상기 샘플 강의 표층측에 대응하는 면에 취화 용접 비드를 설치하고,
    상기 내부 소형 시험편의 표면 중, 상기 샘플 강의 두께 방향을 따라 노치를 설치하는 것을 특징으로 하는, 고강도 후강판의 취성 균열 전파 정지 성능의 판정 방법.
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