KR101186557B1 - Method for evaluation of dynamic deformation property of steel at low temperature using dynamic torsional bar test - Google Patents

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Abstract

본 발명은 강재의 동적 변형 특성 평가 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 강재의 동적 변형 특성 평가방법은, 강재 시편을 준비하고; 냉매 분사 장치를 구비하는 동적 비틀림 시험 장치를 이용하여 상기 강재 시편을 상온보다 낮은 저온에서 저온 동적 비틀림 시험하고; 상기 저온 동적 비틀림 시험을 통해 상기 강재 시편의 물성 파라미터를 취득하고; 상기 물성 파라미터를 분석하여 상기 강재 시편의 저온 동적 변형 특성을 평가하는 것을 포함하며, 상기 물성 파라미터는 상기 강재 시편의 파괴 전단 변형율이고, 상기 강재 시편의 파괴 전단 변형율은 상기 강재 시편의 단열성 전단 밴드의 두께나 형성 유무에 따라 달라지며, 상기 단열성 전단 밴드는 상기 강재 시편의 공동 형성의 수에 따라 달라진다.The present invention provides a method for evaluating the dynamic deformation characteristics of steel. Method for evaluating the dynamic deformation characteristics of the steel according to the present invention, preparing a steel specimen; A low temperature dynamic torsion test of the steel specimens at a lower temperature than room temperature using a dynamic torsion test apparatus having a refrigerant injection device; Obtaining physical property parameters of the steel specimen through the low temperature dynamic torsion test; And analyzing the physical property parameters to evaluate the low temperature dynamic deformation characteristics of the steel specimens, wherein the physical property parameters are fracture shear strains of the steel specimens, and the fracture shear strains of the steel specimens are determined by the adiabatic shear bands of the steel specimens. It depends on the thickness or the presence or absence, and the insulating shear band depends on the number of cavities in the steel specimen.

Description

저온에서 동적 비틀림 시험 장치를 이용한 강재의 동적 변형 특성 평가 방법 {Method for evaluation of dynamic deformation property of steel at low temperature using dynamic torsional bar test}{Method for evaluation of dynamic deformation property of steel at low temperature using dynamic torsional bar test}

본 발명은 강재의 동적 변형 특성 평가 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저온에서 동적 비틀림 시험 장치를 이용한 강재의 동적 변형 특성 평가 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for evaluating dynamic deformation characteristics of steel, and more particularly, to a method for evaluating dynamic deformation characteristics of steel using a dynamic torsion test apparatus at low temperature.

점점 더 심각해지는 자원 고갈로 인해 극지방이나 심해저와 같은 극심한 환경에서의 강재(steel)로 이루어진 구조물 사용 요구가 증대되고 있다. 강재 구조물이 저온 환경 하에서 급작스런 충격 환경에 노출될 경우, 강재 구조물이 파손될 확률이 매우 높고 파손의 정도도 크기 때문에 막대한 경제적 손실과 인명피해로 이어질 수 있다. 따라서 저온 환경 하에서 강재의 동적 변형 특성(동적 파괴 특성 또는 동작 파괴 저항성)을 신뢰성 있게 평가하는 방법이 절실히 요구되고 있다. Increasingly severe resource depletion is increasing the demand for the use of structures made of steel in extreme environments such as the polar regions and deep seabeds. If the steel structure is exposed to a sudden impact environment under a low temperature environment, the steel structure is very likely to be damaged and the degree of breakage is high, which can lead to enormous economic loss and casualties. Therefore, there is an urgent need for a method for reliably evaluating the dynamic deformation characteristics (dynamic fracture resistance or operating failure resistance) of the steel under low temperature environment.

저온 환경하에서 강재의 동적 변형 특성을 평가하는 방법으로 저온 샤르피 충격시험(Charpy impact test)법을 들 수 있다. 저온 샤르피 충격 시험법은 쉽고 간단하지만 파괴 역학에 기초하지 않고 노치를 삽입한 강재 시편의 충격 흡수 에너지만을 측정하는 방법이다. 저온 샤르피 충격 시험법은 강재 시편과 노치의 형상, 길이 및 두께 등에 의해 충격 흡수에너지가 변화하는 단점이 있다. 또한, 저온 샤르피 충격 시험법은 동적 하중 하에서 어떻게 균열이나 국부적인 변형이 시작되어 최종적인 파괴까지 도달하는가에 대한 기구를 분석하기 어렵다.The low temperature Charpy impact test is a method of evaluating the dynamic deformation characteristics of steel under low temperature environment. The low temperature Charpy impact test is an easy and simple method of measuring the impact absorption energy of steel specimens with notches, not based on fracture mechanics. The low temperature Charpy impact test has a disadvantage in that the impact absorption energy is changed by the shape, length and thickness of the steel specimen and the notch. In addition, the low temperature Charpy impact test is difficult to analyze the mechanism of how cracks or local deformations start under dynamic load and reach final failure.

한편, 강재가 실제로 사용되는 저온의 분위기에서의 강재의 동적 변형 특성(동적 파괴 특성 또는 동적 파괴 저항성)은 상온과 전혀 다를 수 있다. 따라서, 실제로 사용되는 저온의 분위기에서 강재의 동적 변형 특성을 신뢰성 있게 평가하는 것이 필요하다. On the other hand, the dynamic deformation characteristics (dynamic fracture resistance or dynamic fracture resistance) of the steel in the low temperature atmosphere where the steel is actually used may be completely different from room temperature. Therefore, it is necessary to reliably evaluate the dynamic deformation characteristics of the steel in the low temperature atmosphere actually used.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 저온 동적 비틀림 시험 장치를 이용하여 저온에서 강재의 저온 동적 변형 특성을 신뢰성 있게 평가하는 방법을 제공하는 데 있다. The problem to be solved by the present invention is to provide a method for reliably evaluating the low temperature dynamic deformation characteristics of the steel at low temperature using a low temperature dynamic torsion testing apparatus.

상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 예에 의한 강재의 동적 변형 특성 평가 방법은, 강재 시편을 준비하고; 냉매 분사 장치를 구비하는 동적 비틀림 시험 장치를 이용하여 상기 강재 시편을 상온보다 낮은 저온에서 저온 동적 비틀림 시험하고; 상기 저온 동적 비틀림 시험을 통해 상기 강재 시편의 물성 파라미터를 취득하고; 상기 물성 파라미터를 분석하여 상기 강재 시편의 저온 동적 변형 특성을 평가하는 것을 포함하며, 상기 물성 파라미터는 상기 강재 시편의 파괴 전단 변형율이고, 상기 강재 시편의 파괴 전단 변형율은 상기 강재 시편의 단열성 전단 밴드의 두께나 형성 유무에 따라 달라지며, 상기 단열성 전단 밴드는 상기 강재 시편의 공동 형성의 수에 따라 달라진다.In order to solve the above problems, the method for evaluating the dynamic deformation characteristics of the steel according to an embodiment of the present invention, preparing a steel specimen; A low temperature dynamic torsion test of the steel specimens at a lower temperature than room temperature using a dynamic torsion test apparatus having a refrigerant injection device; Obtaining physical property parameters of the steel specimen through the low temperature dynamic torsion test; And analyzing the physical property parameters to evaluate the low temperature dynamic deformation characteristics of the steel specimens, wherein the physical property parameters are fracture shear strains of the steel specimens, and the fracture shear strains of the steel specimens are determined by the adiabatic shear bands of the steel specimens. It depends on the thickness or the presence or absence, and the insulating shear band depends on the number of cavities in the steel specimen.

저온 동적 비틀림 시험시 냉매 분사 장치를 이용하여 강재 시편에 냉매를 분사하여 수행할 수 있다. 냉매 분사 장치는 냉매 공급 탱크와, 냉매 공급 탱크에 연결되어 강재에 냉매를 분사하는 냉매 분사 노즐과, 냉매 분사 노즐로부터 분사된 냉매를 수거하는 냉매 수거 탱크, 및 냉매나 강재 시편의 온도를 측정하는 열전대로 구성될 수 있다. 냉매 분사 노즐을 통해 분사된 냉매를 통해 강재 시편을 상온보다 낮은 온도에서 저온 동적 비틀림을 시험할 수 있다. The low temperature dynamic torsion test may be performed by injecting a refrigerant into the steel specimen using a refrigerant injection device. The refrigerant injection device includes a refrigerant supply tank, a refrigerant injection nozzle connected to the refrigerant supply tank for injecting refrigerant into steel, a refrigerant collection tank for collecting refrigerant injected from the refrigerant injection nozzle, and a temperature of the refrigerant or steel specimen. It can be configured with a thermocouple. The coolant sprayed through the coolant spray nozzle allows the steel specimens to be tested for low-temperature dynamic torsion at temperatures below room temperature.

강재 시편의 파괴 전단 변형율은 동적 비틀림 시험 장치의 시험 온도가 낮아짐에 따라 낮아지되, 강재 시편의 유효 결정립도에 따라 낮아지는 비율이 달라질 수 있다. The fracture shear strain of the steel specimens is lowered as the test temperature of the dynamic torsion tester is lowered, but the rate lowered depending on the effective grain size of the steel specimens.

공동의 수는 강재 시편의 유효 결정립도와 2차상 분율로 판단할 수 있다.The number of cavities can be determined by the effective grain size and secondary phase fraction of the steel specimen.

강재 시편은 라인파이프강으로 구성되고 강재 시편은 단상 영역 압연강 또는 이상 영역 압연강일 수 있다. 이상 영역 압연강의 강재 시편의 파괴 전단 변형율이 단상 영역 압연강의 강재 시편보다 더 높을 수 있다. 이상 영역 압연강의 강재 시편은 단열성 전단 밴드가 형성되지 않고, 단상 영역 압연강의 강재 시편은 단열성 전단 밴드가 형성될 수 있다. 단상 영역 압연강의 강재 시편은 압연 조건에 따라 단열성 전단 밴드의 폭이 달라질 수 있다. The steel specimen may be composed of line pipe steel and the steel specimen may be single phase region rolled steel or abnormal region rolled steel. The fracture shear strain of the steel specimen of the abnormal zone rolled steel may be higher than that of the steel specimen of the single phase zone rolled steel. The steel specimen of the abnormal region rolled steel may not have an insulating shear band, and the steel specimen of the single phase region rolled steel may have an insulating shear band. Steel specimens of the single-phase region rolled steel may vary in width of the insulating shear band depending on the rolling conditions.

본 발명의 강재의 동적 변형 특성 평가 방법은 냉매 분사 장치를 구비하는 저온 동적 비틀림 시험 장치를 이용한다. 저온 동적 비틀림 시험 장치는 냉매 분사 장치를 이용하여 강재 시편을 상온보다 낮은 저온에서 저온 동적 비틀림 시험을 수행한다. The method for evaluating the dynamic deformation characteristics of the steel of the present invention uses a low temperature dynamic torsion test apparatus having a refrigerant injection device. The low temperature dynamic torsion test apparatus performs a low temperature dynamic torsion test at a low temperature below room temperature using a refrigerant spray device.

강재 시편은 라인파이프강을 이용하고, 단상 영역 압연강 또는 이상영역 압연강을 이용한다. 강재 시편의 저온 동적 비틀림 시험을 통하여 최대 전단 응력, 파괴 전단 변형율, 단열성 전단 밴드, 유효 결정립도 등의 물성 파라미터를 얻어 강재의 동적 변형 특성을 평가한다.Steel specimens use line pipe steel, and single-phase region rolled steel or abnormal region rolled steel. The low temperature dynamic torsion test of the steel specimens is carried out to evaluate the dynamic deformation characteristics of the steel by obtaining physical parameters such as maximum shear stress, fracture shear strain, adiabatic shear band, and effective grain size.

온도에 따른 강재 시편의 파괴 전단 변형율, 강재 시편의 단열성 전단 밴드의 두께나 형성 유무, 강재 시편의 공동 형성의 수, 또는 강재 시편의 유효 결정립도와 2차상 분율 등으로 강재 시편의 동적 변형 특성을 평가한다. Evaluate the dynamic deformation characteristics of steel specimens by fracture shear strain of steel specimens, thickness or formation of adiabatic shear bands of steel specimens, number of cavity formations of steel specimens, or effective grain size and secondary phase fraction of steel specimens. do.

본 발명은 강재가 실제로 사용되는 저온의 분위기에서의 강재의 동적 변형 특성(동적 파괴 특성 또는 동적 파괴 저항성)을 신뢰성 있게 평가할 수 있다. 본 발명은 극지방 또는 심해 등 저온에서 사용되는 재료에 대해 동적 하중 하에서 일어나는 변형 및 파괴거동을 저온에서 조사하여 재료의 저온 동적 변형 특성을 평가할 수 있다. 본 발명은 저온에서 사용되는 제품의 안전성을 판단할 수 있는 기준으로 활용될 수 있으며, 더 높은 저온 물성 재료 개발을 통해 고부가가치 제품 개발의 기반 기술로 사용할 수 있다.The present invention can reliably evaluate the dynamic deformation characteristics (dynamic fracture resistance or dynamic fracture resistance) of steel in a low temperature atmosphere where steel is actually used. The present invention can evaluate the low temperature dynamic deformation characteristics of the material by investigating the deformation and fracture behavior occurring under the dynamic load at a low temperature for the material used at low temperatures such as polar regions or deep seas. The present invention can be used as a criterion for determining the safety of a product used at low temperatures, and can be used as a base technology for the development of high value-added products through the development of higher temperature properties.

도 1은 본 발명에 이용되는 저온 동적 비틀림 시험 장치를 도시한 개념도이고,
도 2는 도 1의 저온 동적 비틀림 시험 장치에 장착되는 강재 시편(비틀림 시편)을 도시한 도면이고,
도 3은 도 1의 저온 동적 비틀림 시험 장치에 장착되는 강재 시편(비틀림 시편)에 냉매가 분사되는 것을 설명하기 위한 도면이고,
도 4는 본 발명에 이용되는 강재의 압연 조건을 도시한 도면이고,
도 5는 본 발명에 이용되는 강재 시편의 미세 조직을 관찰하여 광학 사진 및 SEM 사진으로 도시한 도면이고,
도 6은 본 발명에 의한 강재 시편의 유효 결정립을 측정한 사진을 도시한 도면이고,
도 7은 본 발명에 의한 강재 시편의 저온 동적 변형 특성 평가 방법을 설명하기 위한 흐름도이고,
도 8은 본 발명과 비교를 위해 강재 시편의 상온 동적 변형 특성을 평가하기 위한 전단 응력 및 전단 변형율 곡선을 도시한 도면이고,
도 9는 본 발명과 비교를 위해 상온에서 동적 비틀림 시험후 강재 시편의 파단면 아래 변형된 영역을 관찰한 SEM 사진을 도시한 도면이고,
도 10 및 도 11은 본 발명에 의해 강재 시편의 저온 동적 변형 특성을 평가하기 위한 전단 응력 및 전단 변형율 곡선을 도시한 도면이고,
도 12 및 도 13은 본 발명에 의한 강재 시편의 저온 동적 비틀림 시험후 시험 온도에 따른 전단 변형율 및 최대 전단 응력을 도시한 도면이고,
도 14는 본 발명에 의해 저온에서 동적 비틀림 시험후 강재 시편의 파단면 아래 변형된 영역을 관찰한 SEM 사진을 도시한 도면이고,
도 15는 본 발명에 의한 강재 시편의 저온 동적 비틀림 시험후 시험 온도에 따른 공동의 수를 도시한 도면이다.
1 is a conceptual diagram showing a low temperature dynamic torsion testing apparatus used in the present invention,
FIG. 2 is a view showing steel specimens (torsion specimens) mounted to the low temperature dynamic torsion test apparatus of FIG. 1,
3 is a view for explaining that the refrigerant is injected into the steel specimen (torsion specimen) mounted on the low temperature dynamic torsion test apparatus of FIG.
4 is a view showing the rolling conditions of the steel used in the present invention,
5 is a view showing the microstructure of the steel specimens used in the present invention by optical and SEM pictures,
6 is a view showing a photograph measuring the effective grain of the steel specimen according to the present invention,
7 is a flowchart illustrating a method for evaluating low temperature dynamic deformation characteristics of steel specimens according to the present invention;
8 is a view showing a shear stress and shear strain curve for evaluating the room temperature dynamic deformation characteristics of steel specimens for comparison with the present invention,
FIG. 9 is a view showing an SEM image of the deformed area under the fracture surface of the steel specimen after the dynamic torsion test at room temperature for comparison with the present invention.
10 and 11 illustrate shear stress and shear strain curves for evaluating low temperature dynamic deformation characteristics of steel specimens according to the present invention;
12 and 13 are views showing the shear strain and the maximum shear stress according to the test temperature after the low temperature dynamic torsion test of the steel specimens according to the present invention,
FIG. 14 is a view showing an SEM image of the deformed area under the fracture surface of the steel specimen after the dynamic torsion test at low temperature according to the present invention;
15 is a view showing the number of cavities according to the test temperature after the low temperature dynamic torsion test of the steel specimen according to the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시한 것이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art. The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated and described in detail in the drawings. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for similar elements in describing each drawing. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are enlarged or reduced from the actual dimensions for the sake of clarity of the present invention.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprises", "having", and the like are used to specify that a feature, a number, a step, an operation, an element, a part or a combination thereof is described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

시험 장치tester

본 발명은 저온에서 강재의 동적 변형 특성을 평가하기 위한 시험 장치로 저온 동적 비틀림 시험 장치를 이용한다. 특히, 본 발명자들은 저온에서 강재의 동적 변형 특성을 평가하기 위해 냉매 분사 장치를 포함하는 저온 동적 비틀림 시험 장치를 발명하였다. 저온 동적 비틀림 시험 장치는 다이내믹 토오셔날 콜스키 바(dynamic torsional Kolsky Bar) 시험 장비를 이용하였다. The present invention uses a low temperature dynamic torsion test apparatus as a test apparatus for evaluating the dynamic deformation characteristics of steel at low temperature. In particular, the inventors have invented a low temperature dynamic torsion test apparatus including a refrigerant injection device to evaluate the dynamic deformation characteristics of the steel at low temperature. The low temperature dynamic torsion tester used a dynamic torsional Kolsky Bar test rig.

도 1은 본 발명에 이용되는 저온 동적 비틀림 시험 장치를 도시한 개념도이고, 도 2는 도 1의 저온 동적 비틀림 시험 장치에 장착되는 강재 시편(비틀림 시편)을 도시한 도면이고, 도 3은 도 1의 저온 동적 비틀림 시험 장치에 장착되는 강재 시편(비틀림 시편)에 냉매가 분사되는 것을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a conceptual diagram showing a low temperature dynamic torsion test apparatus used in the present invention, FIG. 2 is a view showing a steel specimen (torsion specimen) mounted to the low temperature dynamic torsion test apparatus of FIG. 1, FIG. A diagram for explaining that the refrigerant is injected into the steel specimen (torsion specimen) mounted on the low temperature dynamic torsion test apparatus of the present invention.

구체적으로, 저온 동적 비틀림 시험 장치(100)는 테이터 수집 시스템(100b) 및 동적 하중 시스템(100c)을 구비하며, 아울러 준정적(또는 정적) 하중 시스템(100a)을 구비할 수 있다. 동적 비틀림 시험 장치(100)는 조임쇠(clamp, 2)와 다이내믹 로딩 풀리(dynamic loading pulley, 4) 사이에 일정한 양의 토오크(torque)를 축적시킨 후 조임쇠(2)를 파괴시키면, 탄성 전단파(elastic shear wave)가 순간적으로 강재 시편(10)에 전달되어 강재 시편(10)을 변형시키고, 이 과정에서 입사파, 반사파 및 투과파는 입사 및 투과 변형계 게이지(strain gage, 12, 14)에 감지되고 오실로스코프(32)에 기록되는 장치들을 구비한다. Specifically, the low temperature dynamic torsion testing apparatus 100 may include a data collection system 100b and a dynamic load system 100c, and may also include a quasi-static (or static) load system 100a. The dynamic torsion test apparatus 100 accumulates a certain amount of torque between the clamp 2 and the dynamic loading pulley 4, and then destroys the clamp 2, thereby causing an elastic shear wave. A shear wave is instantaneously transmitted to the steel specimen 10 to deform the steel specimen 10, in which incident, reflected and transmitted waves are sensed by the incident and transmitted strain gages 12, 14, Devices recorded on the oscilloscope 32 are provided.

도 1에서 참조번호 6은 조임쇠(2)와 다이내믹 로딩 풀리(4) 사이에 축적되는 토오크의 양을 측정하는 게이지이고, 16은 전원장치(Power Supply), 36은 PC(Personal Computer)이다. 참조번호 41은 강재 시편(10)에 비틀림력을 전달하기 위한 봉(bar)이고, 42는 유압 펌프이고, 43 및 44는 압축기이고, 45는 정적 로딩 풀리(static loading pulley), 46은 전동기, 47은 감속기이다. 참조번호 20은 LVDT(Linear variable Differential Transformer)로써 준정적 테스트할 때 봉(41)의 변형량(회전량)을 측정하기 위한 것이고, 측정된 봉(41)의 변형량은 레코더(기록기, 34)에 기록된다. In FIG. 1, reference numeral 6 denotes a gauge for measuring the amount of torque accumulated between the fastener 2 and the dynamic loading pulley 4, 16 is a power supply, and 36 is a personal computer. Reference numeral 41 is a bar for transmitting a torsional force to the steel specimen 10, 42 is a hydraulic pump, 43 and 44 are compressors, 45 is a static loading pulley, 46 is an electric motor, 47 is a reducer. Reference numeral 20 is for measuring the deformation amount (rotation amount) of the rod 41 in the quasi-static test with a linear variable differential transformer (LVDT), and the measured deformation amount of the rod 41 is recorded in the recorder (recorder) 34. do.

오실로스코프(32)에 기록된 신호 중에서 반사파로부터 시간의 함수로 표시되는 평균 전단변형율 γ(t)을 측정하고, 그리고 투과파로부터 시간의 함수로 표시되는 전단응력 τ(t)을 측정한다. 이 γ(t)와 τ(t)로부터 시간을 소거하여 동적 전단응력-전단변형률(dynamic shear stress - shear strain) 곡선을 구한다. Among the signals recorded on the oscilloscope 32, the average shear strain γ (t) expressed as a function of time from the reflected wave is measured, and the shear stress τ (t) expressed as a function of time from the transmitted wave is measured. From this γ (t) and τ (t), time is eliminated to obtain a dynamic shear stress-shear curve.

도 2에 도시한 강재 시편(비틀림 시편, 10)은 시편 길이 방향이 압연 방향과 수직하도록 가공된 것이다. 강재 시편(10)은 도 2에서와 같이 표점거리 2.5 mm, 두께 280 μm의 얇은 튜브(thin-walled tube) 형태의 게이지(gage)부(11)를 가지는 육각 기둥 모양을 가진다. 강재 시편 가공 시에는 방전 가공기를 이용하는 것이 권장되며 윤활 및 냉각수를 잘 분사하여 강재 시편에 최대한 잔류 응력을 남기지 않는 것이 실험의 재현성 측면에서 유리하다. 또한 강재 시편(10)은 원주 방향으로 두께 편차가 생기지 않도록 정밀한 가공이 요구된다. The steel specimen (torsional specimen 10) shown in FIG. 2 is machined so that the longitudinal direction of a specimen may be perpendicular to a rolling direction. The steel specimen 10 has a hexagonal column shape having a gauge portion 11 in the form of a thin-walled tube having a gage distance of 2.5 mm and a thickness of 280 μm, as shown in FIG. 2. When machining steel specimens, it is recommended to use an electric discharge machine, and it is advantageous in terms of reproducibility of the experiment not to leave maximal residual stress on the steel specimens by spraying lubrication and cooling water well. In addition, the steel specimen 10 requires precise machining so that thickness variation does not occur in the circumferential direction.

본 발명의 저온 동적 비틀림 시험 장치(100)는 도 1 및 도 3에 도시한 바와 같이 냉매 분사 장치(52, 54, 56, 60)를 구비하여 저온하에서 동적 비틀림 시험을 수행하였다. 냉매 분사 장치(52, 54, 56, 60)는 냉매 공급 탱크(52), 냉매 분사 노즐(54), 냉매 수거 탱크(56), 열전대(60)로 구성될 수 있다. 냉매 분사 장치(52, 54, 56, 60)는 냉매 공급 탱크(52)와, 냉매 공급 탱크(52)에 연결되어 강재(10)에 냉매를 분사하는 냉매 분사 노즐(54)과, 냉매 분사 노즐(54)로부터 분사된 냉매를 수거하는 냉매 수거 탱크(56), 및 냉매나 강재 시편의 온도를 측정하는 열전대(60)로 구성된다. The low temperature dynamic torsion test apparatus 100 of the present invention is equipped with a refrigerant injection device (52, 54, 56, 60) as shown in Figs. 1 and 3 to perform a dynamic torsion test under low temperature. The coolant injection devices 52, 54, 56, and 60 may be configured of a coolant supply tank 52, a coolant injection nozzle 54, a coolant collection tank 56, and a thermocouple 60. The refrigerant injection devices 52, 54, 56, and 60 include a refrigerant supply tank 52, a refrigerant injection nozzle 54 connected to the refrigerant supply tank 52, and a refrigerant injection nozzle 54 to inject refrigerant into the steel 10. A refrigerant collection tank 56 for collecting the refrigerant injected from 54 and a thermocouple 60 for measuring the temperature of the refrigerant or the steel specimen.

강재 시편(10)의 게이지부(11) 위쪽으로는 냉매 분사 노즐(54)이 부착된 냉매 공급 탱크(52)를 위치시켜 일정량의 냉매를 지속적으로 분사할 수 있도록 하였고, 아래쪽에는 참조번호 58로 표시한 바와 같이 강재 시편(10)을 타고 흘러내린 냉매를 수거하는 냉매 수거 탱크(56)를 설치하여 저온 동적 실험을 실시할 수 있도록 구성하였다. 다시 말해, 본 발명은 냉매 분사 노즐(54)을 통해 분사된 냉매를 통해 강재 시편(10)을 상온보다 낮은 온도에서 동적 비틀림을 시험할 수 있다. A coolant supply tank 52 having a coolant injection nozzle 54 is positioned above the gauge part 11 of the steel specimen 10 to continuously inject a predetermined amount of coolant, and to the lower reference 58. As shown, a coolant collection tank 56 for collecting coolant flowing down the steel specimen 10 was installed to perform a low temperature dynamic experiment. In other words, the present invention may test the dynamic torsion of the steel specimen 10 at a temperature lower than room temperature through the refrigerant injected through the refrigerant injection nozzle 54.

냉매 공급 탱크(52)는 저온에서 충분히 견딜 수 있는 스테인리스 재질의 용기이며, 냉매의 온도를 충분히 보존할 수 있도록 용기 안쪽벽과 바깥쪽벽 사이가 진공으로 채워진 단열 용기를 사용한다. 냉매로는 이소펜탄(isopentane)과 액체 질소의 혼합액을 사용하였으며, 적절한 배합을 통하여 원하는 온도를 얻을 수 있다. 실험 가능한 온도 범위는 상온에서 액체 질소 온도까지, 예컨대 25 ~ -196℃까지 가능하다. 냉매 분사 장치(52, 54, 56, 60)는 냉매나 강재 시편(10)의 온도가 실험 시간 동안 충분히 유지되는 것을 모니터링하기 위하여 열전대(Thermocouple, 60)를 포함하고, 열전대는 PC(36)에 연결할 수 있다. The coolant supply tank 52 is a container made of stainless steel that can withstand low temperatures sufficiently, and uses a heat-insulating container filled with a vacuum between the inner and outer walls of the container so as to sufficiently preserve the temperature of the coolant. As a refrigerant, a mixture of isopentane and liquid nitrogen was used, and a desired temperature can be obtained through proper mixing. The experimental range of temperatures is from room temperature to liquid nitrogen temperature, for example from 25 to -196 ℃. The refrigerant injectors 52, 54, 56, 60 include thermocouples 60 to monitor that the temperature of the refrigerant or steel specimen 10 is sufficiently maintained for the duration of the experiment, the thermocouple being connected to the PC 36. Can connect

이하에서는 앞서 본 발명자들이 발명한 저온 동적 비틀림 시험 장치를 이용하여 강재의 저온 동적 변형 특성을 평가하기 위한 일련의 제반 과정을 설명한다. 본 발명에서 동적 비틀림이 시험되는 저온은 상온, 즉 25℃보다 낮은 온도이다. 예컨대, 냉매로 액체 질소를 이용할 경우 25 내지 -196℃이다. 본 상세한 설명에서는 동적 비틀림 시험이 수행되는 저온을 편의상 -50℃, -100℃로 선택하고, 이와 비교를 위해 상온은 25℃로 선택하였다. 물론, 냉매로 액체 헬륨을 이용할 경우에는 25℃ 내지-268℃에서 동적 비틀림 시험을 수행할 수 있다.
Hereinafter, a series of processes for evaluating the low temperature dynamic deformation characteristics of steel using the low temperature dynamic torsion test apparatus invented by the present inventors will be described. The low temperature at which the dynamic torsion is tested in the present invention is room temperature, ie, a temperature lower than 25 ° C. For example, when using liquid nitrogen as the refrigerant is 25 to -196 ℃. In this detailed description, a low temperature at which the dynamic torsion test is performed is selected as -50 ° C or -100 ° C for convenience, and a room temperature is selected as 25 ° C for comparison. Of course, when using liquid helium as the refrigerant may be performed a dynamic torsion test at 25 ℃ to -268 ℃.

강재의 종류Type of steel

저온에서 강재의 동적 변형 특성 평가를 수행할 때 이용되는 강재의 예로 라인파이프강(linepipe steel)을 이용한다. 라인파이프강은 천연가스와 원유의 수송에 사용되는 강이다. 라인파이프강은 정제 및 소비가 이루어지는 지역이 생산지로부터 상당히 멀리 떨어져 있어 빠른 수송을 위해서 라인파이프강의 내부에 고압이 가해진다. 따라서, 결함이나 충격에 의해 균열이 발생할 경우 라인파이프강은 순식간에 파괴가 일어날 수 있다. Linepipe steel is used as an example of the steel used to evaluate the dynamic deformation characteristics of the steel at low temperatures. Linepipe steels are used to transport natural gas and crude oil. In line pipe steel, the area where refining and consumption takes place is quite far from the production site, and high pressure is applied inside the line pipe steel for rapid transportation. Therefore, when a crack occurs due to a defect or an impact, the line pipe steel may be destroyed in an instant.

라인파이프강에서 균열이 전파될 때 그 속도가 1500 m/s정도에 달하며, 균열 전파를 저지하는 지점(arrest point)이 없으면 수 킬로미터까지 균열이 진행되기도 한다. 라인파이프강은 심해와 극지방에서 원유를 수송하는 경우가 많아 저온 환경에 노출되어 있다. When propagating cracks in line pipe steel, the speed reaches 1500 m / s. If there is no arrest point that prevents crack propagation, the crack may progress up to several kilometers. Linepipe steels often transport crude oil in the deep sea and in the polar regions and are exposed to low temperature environments.

이러한 저온에서 고압이나 충격과 같은 동적 하중에 의해 라인파이프강이 파괴되는 경우 막대한 경제적 손실, 환경 오염 및 인명 피해 등을 가져올 수 있으므로, 저온 동적 변형 특성(동적 파괴 특성 또는 동적 파괴 저항성)에 대한 신뢰성 있는 평가 방법이 절실히 요구되고 있다. 본 실시예에서는 API(American Petroleum Institute) X70급 및 X80급 라인파이프강을 이용하여 저온 동적 비틀림 시험을 수행하였다.
When line pipe steel is destroyed by dynamic loads such as high pressure or impact at such low temperatures, it can cause enormous economic loss, environmental pollution, and casualty damage, so it is reliable for low temperature dynamic deformation characteristics (dynamic fracture resistance or dynamic fracture resistance). There is an urgent need for evaluation methods. In this example, low temperature dynamic torsion tests were performed using American Petroleum Institute (API) X70 and X80 grade linepipe steels.

강재 시편의 제조Fabrication of Steel Specimen

도 4는 본 발명에 이용되는 강재의 압연 조건을 도시한 도면이고, 표 1은 본 발명에 이용되는 강재의 화학 조성을 도시한 것이다. 4 is a diagram showing the rolling conditions of the steel used in the present invention, Table 1 shows the chemical composition of the steel used in the present invention.

본 실시예에 사용되는 강재 시편은 압연하여 생산된 API X70급 및 X-80급 라인 파이프강으로써, 긴 판재의 헤드(head)부를 절단하여 강재 시편으로 사용하였다. 모든 강재 시편은 1091℃~1130ㅀC에서 용체화 처리한 후 오스테나이트의 미재결정 영역(non-recrystallization region)에서 압하율을 크게 부여하여 압연함으로써 전반적인 결정립 미세화 효과를 기대하였다. 마무리 압연은 Ar3이상의 오스테나이트 단상 영역(single phase region)과 Ar3이하의 오스테나이트와 페라이트의 이상영역(two phase region)의 두 온도에서 실시하였다. The steel specimens used in this example were API X70 and X-80 grade line pipe steel produced by rolling, and were used as steel specimens by cutting heads of long plates. All steel specimens were subjected to solution treatment at 1091 ℃ ~ 1130 ㅀ C, and then rolled with a large reduction ratio in the non-recrystallization region of austenite. Finish rolling was carried out at two temperatures: an austenite single phase region of Ar 3 and above, and an austenitic and ferrite two phase region of Ar 3 and below.

마무리 압연 후 각각의 단상 및 이상영역에서 냉각을 시작하였으며, 441~501ㅀC의 냉각 종료 온도(finish cooling temperature, FCT)까지 가속 냉각하였다. 냉각 속도는 7-14℃/sec(초)로 하였다. 단상 영역에서 마무리 압연한 강은 단상 영역 압연강이며, 이상 영역에서 압연한 강은 이상 영역 압연강이다. 단상 영역과 이상 영역에서 각각 마무리 압연된 X-70급 강을 'A', 'B' 강으로, 단상 영역에서 마무리 압연된 X-80급 강을 'C' 강으로 표기한다. After the finish rolling, cooling was started in each of the single phase and the abnormal region, and accelerated cooling to the finish cooling temperature (FCT) of 441 ~ 501 ° C. The cooling rate was 7-14 ° C / sec (sec). The steel finish-rolled in the single phase region is a single phase region rolled steel, and the steel rolled in the abnormal region is an abnormal region rolled steel. The X-70 grade steel, which has been finish-rolled in the single-phase and abnormal regions, respectively, is referred to as 'A' and 'B' steel, and the X-80 grade steel, which has been finish-rolled in the single-phase region, is referred to as the 'C' steel.

조성
(wt%)


종류
Furtherance
(wt%)

River
Kinds
C   C Si  Si Mn  Mn Ni +Mo Ni + Mo Nb +Ti Nb + Ti Al Al P+S  P + S
A   A 0.062  0.062 0.311 0.311 1.56 1.56 0.20  0.20 0.06  0.06 0.023  0.023 <0.01  <0.01 B   B 0.045  0.045 0.297 0.297 1.56 1.56 0.37  0.37 0.06  0.06 0.031  0.031 <0.01  <0.01 C   C 0.073  0.073 0.230 0.230 1.76 1.76 0.56  0.56 0.05  0.05 0.033  0.033 <0.01  <0.01

표 1에 보듯이, 본 발명에 이용되는 강재 시편은 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 니켈(Ni), 니오비윰(Nb), 알루미늄(A), 인(P), 황(S)을 포함하며, 나머지 잔량은 철(Fe)이다. C강이 탄소량과 니켈 및 몰리브덴의 합량이 다른 강에 비하여 많은 편이고, A강은 실리콘량이 타강에 비해 조금 많은 편이다.
As shown in Table 1, the steel specimens used in the present invention are carbon (C), silicon (Si), manganese (Mn), nickel (Ni), niobium (Nb), aluminum (A), phosphorus (P). , Sulfur (S), and the remaining amount is iron (Fe). The amount of carbon and the total amount of nickel and molybdenum in the C steel are higher than those in the other steels, and the amount of silicon in the A steel is slightly higher than that of other steels.

강재 시편의 미세 조직Microstructure of Steel Specimen

도 5는 본 발명에 이용되는 강재 시편의 미세 조직을 관찰하여 광학 사진 및 SEM 사진으로 도시한 도면이다. 5 is a view showing the microstructure of the steel specimen used in the present invention by optical and SEM photographs.

구체적으로, 도 5는 A, B, C강인 강재 시편의 두께 중심부의 L-T(종횡. Longitudinal transverse)면을 각각 광학 및 SEM(scanning electron microscopy, 주사 전자 현미경)으로 관찰한 미세 조직이며, 각 조직의 부피 분율을 측정하여 표 2에 나타내었다. 미세 조직은 압연 판재의 윗면을 연마하고 2% 나이탈 용액으로 에칭한 후 관찰한다. (a), (b), (c) 도는 광학 사진이고, (d,), (e), (f)는 SEM 사진이다. 도 5에 나타낸 바와 같이 라인파이프강과 같은 고강도 및 고인성강은 합금 원소와 압연 조건에 따라 다양한 미세 조직을 나타낸다. Specifically, FIG. 5 is a microstructure of the LT (vertical and longitudinal transverse) planes of the thickness centers of steel specimens of A, B, and C steels, respectively, observed by optical and scanning electron microscopy (scanning electron microscopy), respectively. The volume fraction was measured and shown in Table 2. Microstructure is observed after polishing the top of the rolled sheet and etching with a 2% nital solution. (a), (b) and (c) are optical photographs, and (d,), (e) and (f) are SEM photographs. As shown in FIG. 5, high strength and high toughness steel such as line pipe steel exhibits various microstructures according to alloying elements and rolling conditions.

다각형 페라이트(PF: polygonal ferrite)는 다각형의 결정립이 수 μm 정도로 비교적 크고 결정립계에는 2차상이 분포되어 있지 않아서 응력은 낮지만 연신율이 높다. 침상형 페라이트(AF: acicular ferrite)는 미세 조직이 1 μm 정도로 매우 미세하며, 결정립계에 미세한 2차상이 분포하여 높은 응력과 우수한 인성을 갖는다. 상부 베이나이트(UB: upper bainite)는 AF보다 더 빠른 냉각 조건에서 형성되는 조직으로 응력은 AF보다 우수하나 인성이 낮다. 입상형 베이나이트(GB: granular bainite)는 AF와 거의 비슷한 냉각 조건에서 형성되는데, UB보다 응력과 인성이 더 낮다. MA(martensite-austenite)나 잔류 오스테나이트(RA: retained austenite), 시멘타이트(cementite)와 같은 2차상(second phases)은 빠른 냉각 조건에서 형성되며, 경질의 취약한 특성을 갖는다.Polygonal ferrite (PF) has a low stress but high elongation because polygonal grains are relatively large and several secondary phases are not distributed at grain boundaries. Acicular ferrite (AF) has very fine microstructures of about 1 μm and has a high stress and excellent toughness due to the distribution of fine secondary phases at grain boundaries. Upper bainite (UB: upper bainite) is a tissue formed under faster cooling conditions than AF. Stress is better than AF, but the toughness is low. Granular bainite (GB) is formed under cooling conditions that are almost similar to AF, with lower stress and toughness than UB. Second phases, such as smartensite-austenite (MA), retained austenite (RA), and cementite, are formed under fast cooling conditions and have hard, fragile properties.

부피
분율

종류
volume
Fraction
River
Kinds
AF   AF PF  PF GB  GB UB UB 2차상들 Second prizes
A   A Bal.*  Bal. * 20.6  20.6 3.1  3.1 B   B 13.3  13.3 Bal.*    Bal. * 12.9  12.9 1.8  1.8 C   C Bal.*  Bal. * 9.7  9.7 4.9  4.9

표 2에서 *는 주요 매트릭스 상(primary matrix phase)을 나타내며, Bal.은 잔량을 나타낸다. In Table 2, * represents the primary matrix phase and Bal. Represents the remaining amount.

도 5 및 표 2에 보듯이, 단상 영역에서 마무리 압연된 A강은 1 μm 미만의 미세한 AF로 주로 이루어져 있으며, 10~30 μm 크기의 조대한 GB가 20% 정도, 2차상이 3% 정도 존재한다. 이상 영역에서 마무리 압연된 B강은 5~20 μm 크기의 PF가 70% 정도 존재하며, 가속냉각으로 인해 잔류 오스테나이트로부터 변태된 AF와 UB가 각각 13% 정도 나타나며 2차상은 2% 이내로 매우 적다. A강과 마찬가지로 단상 영역에서 마무리 압연된 C강은 기지조직이 주로 미세한 AF로 되어 있으며, UB가 10% 정도 있으며 2차상은 약 5% 정도로 매우 많다. 세 압연강(압연재)의 2차상 분율은 C 및 Mo, Ni 등의 경화능 향상 원소의 함량에 비례하여, 이들 원소가 가장 많이 포함된 C강에서 2차상 분율도 가장 높으며 A, B강 순으로 감소한다.As shown in FIG. 5 and Table 2, the A steel finished and rolled in the single phase region is mainly composed of fine AF of less than 1 μm, with about 20% of coarse GB having a size of 10 to 30 μm and about 3% of secondary phases. do. In the above-mentioned area, B steel finished in the above-mentioned region has 70% of PF of 5-20 μm, and 13% of AF and UB transformed from residual austenite are accelerated by accelerated cooling, and the second phase is less than 2%. Like A steel, C steel, which has been finished and rolled in a single phase region, is mainly composed of fine AF, with about 10% UB and about 5% secondary phase. The secondary phase fraction of the three rolled steels (rolled material) is proportional to the content of C and Mo, Ni and other hardenability enhancing elements. Decreases.

도 6은 본 발명에 의한 강재 시편의 유효 결정립을 측정한 사진을 도시한 도면이다. Figure 6 is a view showing a photograph measuring the effective grain of the steel specimen according to the present invention.

구체적으로, 세 강에 대한 EBSD(electron back scatter diffraction)분석을 실시하여 결정립 컬러맵(grain-color map)을 나타내었다. EBSD 분석은 강재 시편의 표면을 기계적으로 연마한 후 실리카로 최종 연마한 강재 시편을 이용한다. EBSD 분석은 FE-SEM(field emission electron microscope) 내에서 실시하였다. Specifically, an electron back scatter diffraction (EBSD) analysis of three steels was performed to show a grain-color map. EBSD analysis utilizes steel specimens that are mechanically polished on the surface of the steel specimens and then polished with silica. EBSD analysis was performed in a field emission electron microscope (FE-SEM).

도 6의 (a), (b), (c)는 각각 A강, B강, C강을 표시한 것이다. EBSD 분석으로 측정된 15˚ 이상의 결정립계를 가지는 고경각 결정립인 유효 결정립도(effective grain size)와 그 분율을 표 3에 정리하였다. 결정립 컬러맵(grain-color map)은 결정립의 방위에 따라 다양한 색으로 나타나며, 단일색으로 표시된 영역은 시편의 유효 결정립도를 나타내는 하나의 결정학적 도메인(domain) 인자로 사용할 수 있다. (A), (b), (c) of FIG. 6 indicate A steel, B steel, and C steel, respectively. Table 3 shows the effective grain size and its fraction, which is a high-angle grain having a grain boundary of 15 DEG or more measured by EBSD analysis. Grain-color maps (grain-color maps) appear in a variety of colors depending on the orientation of the grains, the area indicated in a single color can be used as one crystallographic domain factor representing the effective grain size of the specimen.

도 6에서도 15˚이상의 고경각을 가지는 결정립들을 서로 다른 색깔로 나타내어 구분하였으며 GB, PF, UB, AF 순으로 유효 결정립도는 작아진다. 표 3을 보면 A강과 B강은 C강보다 평균 유효 결정립도가 약간 더 큰데, 이는 A강에 유효 결정립도가 상당히 큰 GB가 존재하고, B강에도 비교적 유효 결정립도가 큰 PF가 존재하기 때문이다.In FIG. 6, grains having a high inclination of 15 ° or more are represented by different colors, and effective grain sizes decrease in the order of GB, PF, UB, and AF. Table 3 shows that A and B steels have slightly larger average effective grain sizes than C steels, because GB has a significantly larger effective grain size, and PF has a larger effective grain size.


종류
River
Kinds
미세 구조
(microstructure)
Fine structure
(microstructure)
2차상의 부피 분율(%)Volume fraction of secondary phase (%) 유효 결정립 크기
(㎛)
Effective grain size
(Μm)
고경각(≥15ㅀ) 결정립계 분율(%) High angle (≥15≥) grain boundary fraction (%)
A   A AF, GB(MA)  AF, GB (MA) 3     3 5.8     5.8 80         80 B   B PF, AF, UB
(MA, cementite)
PF, AF, UB
(MA, cementite)
2     2 5.9     5.9 84         84
C   C AF, UB(MA)  AF, UB (MA) 5     5 5.1     5.1 87         87

저온에서 강재 시편의 동적 변형 특성 평가 방법Evaluation of Dynamic Deformation Characteristics of Steel Specimen at Low Temperature

도 7은 본 발명에 의한 강재 시편의 저온 동적 변형 특성 평가 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 7 is a flowchart illustrating a method for evaluating low temperature dynamic deformation characteristics of a steel specimen according to the present invention.

구체적으로, 앞서 도 4에 설명한 바와 같이 강재 시편을 준비한다(S1 단계), 강재 시편의 준비 과정은 도 4에서 설명하였으므로 생략하며, 강재 시편의 조성 및 미세 조직은 표 1 내지 표 3에서 설명하였으므로 생략한다. Specifically, the steel specimen is prepared as described above with reference to FIG. 4 (step S1), the preparation process of the steel specimen is omitted since it was described in FIG. 4, and thus the composition and microstructure of the steel specimen are described in Tables 1 to 3. Omit.

다음에, 냉매 분사 장치를 구비하는 동적 비틀림 시험 장치를 이용하여 강재 시편을 상온보다 낮은 저온에서 동적 비틀림 시험한다(S2 단계). 강재 시편의 저온 동적 비틀림 시험은 앞서 도 1 내지 3에서 설명한 바와 같이 본 발명자들이 발명한 저온 동적 비틀림 시험 장치를 이용하여 수행한다. 강재 시편의 저온 동적 비틀림 시험은 앞서 설명한 바와 같이 상온보다 낮은 온도, 예컨대 25 내지 -196℃에 수행할 수 있다. 물론, 냉매로 액체 헬륨을 이용할 경우에는 25℃ 내지-268℃에서 동적 비틀림 시험을 수행할 수도 있다. Next, a dynamic torsion test of the steel specimen is performed at a low temperature lower than room temperature using a dynamic torsion test apparatus having a refrigerant injection device (step S2). The low temperature dynamic torsion test of the steel specimen is performed using the low temperature dynamic torsion test apparatus invented by the inventors as described above with reference to FIGS. 1 to 3. Low temperature dynamic torsion testing of steel specimens can be performed at temperatures below room temperature, such as 25 to -196 ° C, as described above. Of course, when using liquid helium as the refrigerant may be performed a dynamic torsion test at 25 ℃ to -268 ℃.

계속하여, 저온 동적 비틀림 시험을 통해 강재 시편의 물성 파라미터를 취득한다(S3 단계). 다음에, 물성 파라미터를 분석하여 강재 시편의 저온 동적 변형 특성을 평가한다(S4 단계). 강재 시편의 물성 파라미터 취득 단계 및 저온 동적 변형 특성 평가에 대하여는 후술한다.
Subsequently, the physical properties parameters of the steel specimens are obtained through the low temperature dynamic torsion test (step S3). Next, the properties parameters are analyzed to evaluate the low temperature dynamic deformation characteristics of the steel specimen (step S4). The property parameter acquisition step and the low temperature dynamic deformation characteristic evaluation of the steel specimen will be described later.

강재 시편의 물성 파라미터 취득 및 이를 통한 동적 변형 특성 평가Property Parameter Acquisition of Steel Specimen and Its Dynamic Deformation Evaluation

도 8은 본 발명과 비교를 위해 강재 시편의 상온 동적 변형 특성을 평가하기 위한 전단 응력 및 전단 변형율 곡선을 도시한 도면이다. FIG. 8 is a diagram illustrating shear stress and shear strain curves for evaluating room temperature dynamic strain characteristics of steel specimens for comparison with the present invention.

구체적으로, 강재 시편의 저온 동적 특성 평가는 저온 동적 비틀림 시험 후 얻을 수 있는 전단 응력 및 전단 변형율 곡선과 미세 조직 변화를 관찰하여 수행할 수 있다. 도 8은 본 발명과 비교를 위해 상온에서 동적 비틀림 시험 장치를 이용하여 얻은 강재 시편의 전단 응력 및 전단 변형율 곡선이다. Specifically, the evaluation of low temperature dynamic properties of steel specimens can be performed by observing shear stress and shear strain curves and microstructure changes that can be obtained after low temperature dynamic torsion tests. 8 is a shear stress and shear strain curve of the steel specimen obtained by using a dynamic torsion test apparatus at room temperature for comparison with the present invention.

표 4는 도 8로부터 구한 최대 전단 응력, 최대 전단 응력점에서의 전단 변형율, 파괴 전단 변형율을 나타내었다. 아울러서, 표 4는 후에 설명하는 바와 같이 저온에서 저온 동적 비틀림 시험 장치를 이용한 최대 전단 응력, 최대 전단 응력점에서의 전단 변형율, 및 파괴 전단 변형율도 함께 나타내었다. Table 4 shows the maximum shear stress, the shear strain at the maximum shear stress point, and the fracture shear strain obtained from FIG. 8. In addition, Table 4 also shows the maximum shear stress, the shear strain at the maximum shear stress point, and the fracture shear strain using the low temperature dynamic torsion test apparatus at low temperature as described later.


종류
River
Kinds
온도
(℃)
Temperature
(℃)
최대 전단 응력
(Mpa)
Shear stress
(Mpa)
최대 전단 응력에서 전단 변형율  Shear strain at maximum shear stress 파괴 전단 변형율  Fracture Shear Strain
A   A 25     25 465   465 0.43     0.43 0.50     0.50 B   B 439   439 0.51     0.51 0.51     0.51 C   C 481   481 0.43     0.43 0.46     0.46 A   A -50    -50 474   474 0.28     0.28 0.39     0.39 B   B 456   456 0.44     0.44 0.48     0.48 C   C 495   495 0.32     0.32 0.40     0.40 A   A -100   -100 462   462 0.23     0.23 0.27     0.27 B   B 461   461 0.23     0.23 0.38     0.38 C   C 508   508 0.22     0.22 0.32     0.32

상온에서 동적 비틀림 시험 장치를 이용하여 동적 비틀림 시험을 한 결과, 최대 전단 응력은 C, A, B 강의 순으로, 파괴 전단 변형율은 B, A, C강 순으로 낮아진다. A, C 강은 AF, GB, UB와 같은 저온 변태상을 포함하기 때문에 PF를 많이 포함한 이상 영역 압연강인 B강보다 최대 전단 응력이 높다. C강은 경질상인 UB와 2차상을 상당량 포함하고 있어 최대 전단 응력이 가장 크다. As a result of the dynamic torsion test using the dynamic torsion test apparatus at room temperature, the maximum shear stress is lowered in the order of C, A, B steel, and the fracture shear strain is lowered in the order of B, A, C steel. Since A and C steels include low temperature transformation phases such as AF, GB, and UB, the maximum shear stress is higher than that of B steel, which is an abnormal region rolling steel containing a lot of PF. Steel C contains the largest amount of hard phase UB and secondary phase, and has the largest maximum shear stress.

도 9는 본 발명과 비교를 위해 상온에서 동적 비틀림 시험후 강재 시편의 파단면 아래 변형된 영역을 관찰한 SEM 사진을 도시한 도면이다. FIG. 9 is a SEM photograph of the strained area under the fracture surface of the steel specimen after dynamic torsion test at room temperature for comparison with the present invention.

구체적으로, 도 9는 상온에서 동적 비틀림 시험후 강재 시편의 파단면 아래 변형된 영역을 연마 및 에칭한 후 SEM으로 관찰한 사진이다. 상부 도면은 강재 시편의 파괴 표면 및 관찰 영역을 도시한 것이다. (a), (b), (c) 도는 각각 A강, B강, C강의 SEM 사진이고, (d,), (e), (f)는 각각 (a), (b), (c)의 점선 확대도이다. 동적 비틀림 강재 시편은 파면 부근의 조직들이 시편 내부의 조직보다 더욱 심하게 연신되어 있다. 이 영역에서는 흰색 화살표로 나타내었듯이 공동(void)이 상당량 형성되어 있다. Specifically, FIG. 9 is a photograph observed by SEM after polishing and etching the deformed area under the fracture surface of the steel specimen after the dynamic torsion test at room temperature. The top view shows the fracture surface and the viewing area of the steel specimen. (a), (b) and (c) are SEM images of A steel, B steel and C steel, respectively, and (d,), (e) and (f) are (a), (b) and (c), respectively. Is an enlarged view of the dotted line. In dynamic torsional steel specimens, the tissue near the wavefront is stretched more severely than the tissue inside the specimen. In this area, a significant amount of voids are formed, as indicated by the white arrows.

도 10 및 도 11은 본 발명에 의해 강재 시편의 저온 동적 변형 특성을 평가하기 위한 전단 응력 및 전단 변형율 곡선을 도시한 도면이고, 도 12 및 도 13은 본 발명에 의한 강재 시편의 저온 동적 비틀림 시험후 시험 온도에 따른 전단 변형율 및 최대 전단 응력을 도시한 도면이다. 10 and 11 illustrate shear stress and shear strain curves for evaluating low temperature dynamic deformation characteristics of steel specimens according to the present invention, and FIGS. 12 and 13 are low temperature dynamic torsion tests of steel specimens according to the present invention. It is a diagram showing the shear strain and the maximum shear stress according to the post-test temperature.

구체적으로, 도 10 및 도 11은 저온에서 저온 동적 비틀림 시험 장치를 이용하여 얻은 강재 시편의 전단 응력 및 전단 변형율 곡선이고, 앞서 제시한 표 4에서는 도 10 및 도 11로부터 구한 최대 전단 응력, 최대 전단 응력점에서의 전단 변형율, 파괴 전단 변형율을 나타내었다. 또한, 도 12 및 도 13은 시험 온도가 상온, -50℃ 및 -100℃로 변화함에 따른 파괴 전단 변형율 및 최대 전단 응력을 나타내었다.Specifically, FIGS. 10 and 11 are shear stress and shear strain curves of the steel specimens obtained by using a low temperature dynamic torsion test apparatus at low temperature, and in Table 4, the maximum shear stress and maximum shear obtained from FIGS. 10 and 11 are shown. Shear strain and fracture shear strain at stress points are shown. 12 and 13 show the fracture shear strain and maximum shear stress as the test temperature is changed to room temperature, -50 ° C and -100 ° C.

저온에서 동적 비틀림 시험 장치를 이용하여 저온 동적 비틀림 시험을 한 결과, 최대 전단 응력은 C, A, B 강의 순으로, 파괴 전단 변형율은 B, C. A강 순으로 낮아진다. 특히, 표 4. 도 10 내지 도 12에 도시한 바와 같이, 파괴 전단 변형율은 세강종 모두 온도가 내려감에 따라 감소하고 있다. 이상 영역 압연강인 B강은 단상 영역 압연강인 A, C 강보다 더 높은 파괴 전단 변형율을 보여주며, 특히 저온에서 상대적으로 높은 파괴 전단 변형율을 유지하고 있다. As a result of the low temperature dynamic torsion test using the dynamic torsion test apparatus at low temperature, the maximum shear stress is lowered in the order of the C, A, and B steels, and the fracture shear strain is lowered in the order of the B, C, and A steels. In particular, as shown in Table 4. FIGS. 10 to 12, the fracture shear strains decrease as the temperature decreases for all three steel species. B steel, which is an abnormal zone rolled steel, exhibits higher fracture shear strains than A, C steel, which is a single-phase zone rolled steel, and maintains relatively high fracture shear strains, particularly at low temperatures.

도 12의 점선 영역으로 도시한 바와 같이 세 강종중 A강은 온도가 내려감에 따라 파괴 전단 변형율의 감소폭이 커서 -100℃에서는 C강보다 더 낮은 파괴 전단 변형율을 가진다. 다시 말해, A강은 온도가 내려감에 따라 파괴 전단 변형율이 낮아지는 비율이 커서 -100℃에서는 C강보다 더 낮은 파괴 전단 변형율을 가진다. As shown by the dotted line region of FIG. 12, steel A of the three steel species has a large decrease in fracture shear strain as temperature decreases, and thus has a fracture shear strain lower than that of C steel at -100 ° C. In other words, steel A has a high rate at which the fracture shear strain decreases as the temperature decreases, and thus has a fracture shear strain lower than that of C steel at -100 ° C.

금속 재료는 온도가 내려감에 따라 응력은 상승하고 연신율을 감소하는데, 본 발명의 실험에서도 시험 온도가 내려감에 따라 대체적으로 최대 전단 응력은 증가하고 파괴 전단 변형율을 감소한다. 그러나, 도 13의 점선으로 표시한 바와 같이 A강은 -100℃에서 최대 전단 응력이 감소하여 상온이나 -50℃에서 보다 낮게 된다. In metal materials, the stress increases and the elongation decreases as the temperature decreases. In the experiment of the present invention, the maximum shear stress generally increases and the fracture shear strain decreases as the test temperature decreases. However, as indicated by the dotted line in FIG. 13, the steel A has a maximum shear stress at −100 ° C., which is lower than at room temperature or −50 ° C. FIG.

도 14는 본 발명에 의해 저온에서 동적 비틀림 시험후 강재 시편의 파단면 아래 변형된 영역을 관찰한 SEM 사진을 도시한 도면이다. FIG. 14 is a view showing an SEM image of the deformed area under the fracture surface of the steel specimen after the dynamic torsion test at low temperature according to the present invention.

구체적으로, 도 14는 저온에서 동적 비틀림 시험후 강재 시편의 파단면 아래 변형된 영역을 연마 및 에칭한 후 SEM으로 관찰한 사진이다. 상부 도면은 강재 시편의 파괴 표면 및 관찰 영역을 도시한 것이다. (a), (b), (c) 도는 각각 -50℃에서 저온 동적 비틀림 시험을 수행한 A강, B강, C강의 SEM 사진이고, (d,), (e), (f)는 각각 -100℃에서 저온 동적 비틀림 시험을 수행한 A강, B강, C강의 SEM 사진이다. Specifically, FIG. 14 is a photograph taken by SEM after polishing and etching the deformed area under the fracture surface of the steel specimen after the dynamic torsion test at low temperature. The top view shows the fracture surface and the viewing area of the steel specimen. (a), (b) and (c) are SEM images of steels A, B and C, respectively, which were subjected to a low temperature dynamic torsion test at -50 ° C, and (d,), (e) and (f) were respectively SEM photographs of steels A, B, and C subjected to low temperature dynamic torsion tests at -100 ° C.

-50℃에서 저온 동적 비틀림 시험한 강재 시편은 소성 유동 라인의 형태가 상온 동적 비틀림 시험의 강재 시편과 비슷하나, 상온 동적 비틀림 시험의 강재 시편서보다 공동들의 변형이 많이 일어난 파면 근처 영역에서는 소성 유동 라인이 더 많이 발견된다. The steel specimens tested at -50 ° C at low temperature dynamic torsion tests had the plastic flow line similar to the steel specimens at room temperature dynamic torsion test, but the plastic flows in the near wavefront area where the cavities were more deformed than the steel specimens at room temperature dynamic torsion test. More lines are found.

-100℃에서 저온 동적 비틀림 시험할 경우, 단상 영역 압연강인 A, C강은 소성 유동 라인이 파면(파괴표면) 부근에 집중되면서 국부 소성 영역, 즉 단열성 전단 밴드가 전단 응력 방향에 평행한 방향으로 관찰된다. A강과 C강에서 형성된 단열성 전단 밴드의 두께는 화살표로 표시한 바와 같이 약 8㎛와 15㎛로써 실제 시편의 게이지 영역에 형성된 단열성 전단밴드 두께의 1/2에 해당한다. In the low temperature dynamic torsion test at -100 ° C, the single-phase zone rolled steels A and C have a localized plastic zone, ie, adiabatic shear bands in a direction parallel to the shear stress direction, with the plastic flow line concentrated near the fracture surface (destructive surface). Is observed. The thicknesses of the adiabatic shear bands formed in steels A and C are about 8 μm and 15 μm, as indicated by the arrows, corresponding to one-half the thickness of the adiabatic shear bands formed in the gauge region of the actual specimen.

이상 영역 압연강인 B강을 -100℃에서 동적 변형시킨 강재 시편에서는 소성 유동 라인이 더욱 심해지긴 했지만 A, C강과 같은 단열성 전단 밴드가 형성되지 않는데, 이는 B강의 저온 동적 비틀림 시험시 A, C강보다 낮은 항복비, 즉 높은 가공경화율을 가져 소성 변형의 집중이 크게 일어나지 않기 때문이다. In the steel specimens in which the abnormally-rolled steel B was dynamically deformed at -100 ° C, the plastic flow line became more severe, but no adiabatic shear bands such as steel A and C were formed. This is because a lower yield ratio, i.e., a high work hardening rate, does not cause much concentration of plastic deformation.

도 15는 본 발명에 의한 강재 시편의 저온 동적 비틀림 시험후 시험 온도에 따른 공동의 수를 도시한 도면이다. 15 is a view showing the number of cavities according to the test temperature after the low temperature dynamic torsion test of the steel specimen according to the present invention.

구체적으로, 도 15는 저온 동적 비틀림 시험 장치를 이용하여 얻은 강재 시편의 시험 온도에 따른 공공의 수를 도시한 것이다. 도 15는 동적 비틀림 시편 파면 아래 영역에서 단위 면적당 공동의 수를 측정하여 도시한 것이다. Specifically, Figure 15 shows the number of vacancy according to the test temperature of the steel specimen obtained by using a low temperature dynamic torsion test apparatus. FIG. 15 shows the measurement of the number of cavities per unit area in the area under the dynamic torsional specimen wavefront.

저온에서 동적 비틀림 시험 장치를 이용하여 저온 동적 비틀림 시험을 한 결과, 공동의 수는 시험 온도가 낮아지면서 증가하는 경향을 나타낸다. A강의 경우 -100℃에서 동적 비틀림 시험을 한 경우가 -50℃에서 동적 비틀림 시험을 한 경우보다 공동의 수가 다소 낮아짐을 알 수 있다. -100℃에서는 C강이 A강보다 공동의 수가 5배 정도 많음을 알 수 있다. As a result of the low temperature dynamic torsion test using a dynamic torsion test apparatus at low temperature, the number of cavities tends to increase as the test temperature decreases. For steel A, the dynamic torsion test at -100 ° C is somewhat lower than for the dynamic torsion test at -50 ° C. At -100 ° C, the number of cavities in steel C is five times higher than that of steel A.

이상과 같은 본 발명의 저온 동적 비틀림 시험을 수행한 후, 강재 시편의 동적 변형 특성을 평가하면 다음과 같이 정리할 수 있다.After the low temperature dynamic torsion test of the present invention as described above, the dynamic deformation characteristics of the steel specimen can be evaluated as follows.

구체적으로, 저온 동적 비틀림 시험 결과, 이상 영역 압연강인 B강이 다른 단상 영역 압연강인 A강, C강에 비해 상온뿐만 아니라 저온에서도 높은 파괴 전단 변형율을 가짐을 알 수 있다. 다시 말해, 이상 영역 압연강인 B강이 다른 단상 영역 압연강인 A강, C강에 비해 동적 변형 특성(동적 파괴 특성 또는 동작 파괴 저항성)이 우수함을 알 수 있다. Specifically, as a result of the low temperature dynamic torsion test, it can be seen that B steel, which is an abnormal region rolled steel, has higher fracture shear strain at room temperature as well as low temperature than other single-phase region rolled steels A and C steels. In other words, it can be seen that B steel, which is an abnormal region rolled steel, is superior in dynamic deformation characteristics (dynamic fracture resistance or operating fracture resistance) than other single-phase region rolled steels, A and C steels.

PF와 약 25% 정도의 AF와 UB를 포함하는 B강에 하중이 가해지면 조직의 경도차로 인해 조직 사이의 계면에서 가동 전위가 형성되고, 이에 따라 재료의 변형이 고르게 일어나 항복비가 낮아진다. 항복비는 균일 소성 변형 영역 내에서의 저항성을 나타내는데, 항복비가 낮을수록 가공경화율이 높음을 의미한다. When a load is applied to B steel, which includes PF and about 25% of AF and UB, due to the hardness difference of the tissue, a movable potential is formed at the interface between the tissues, resulting in an even deformation of the material, thereby lowering the yield ratio. The yield ratio indicates resistance in the uniform plastic deformation region, and the lower the yield ratio, the higher the work hardening rate.

재료에 동적 하중이 가해지면 소성변형이 집중되면서 그 영역에서 가공경화와 열적 연화가 경쟁적으로 일어나게 되는데, 이때 열적 연화율이 가공 경화율을 넘어서는 시점에서부터 빠르게 연화가 진행되면서 단열성 전단 밴드가 생기고 하중을 감당할 수 있는 능력이 급격히 낮아져 파괴에 이르게 된다. 높은 가공경화율을 가지는 B강은 소성 변형이 일어나는 동안 가공경화가 지속적으로 진행되어 쉽게 소성변형이 집중되지 않아 파괴에 대한 저항성이 증가한다. When dynamic load is applied to the material, the plastic deformation is concentrated and work hardening and thermal softening are competitive in the area.At this time, the softening progresses rapidly from the time when the thermal softening rate exceeds the work hardening rate, resulting in an insulating shear band and loading. The ability to handle is drastically lowered, leading to destruction. B steel, which has a high work hardening rate, continuously undergoes work hardening during plastic deformation, so that plastic deformation is not easily concentrated, thereby increasing resistance to fracture.

도 14의 (a) 내지 (f)를 보면, B강은 -50℃ 및 -100℃온도에서 다른 두 강에 비해 소성 변형의 집중도가 크지 않다는 것을 확인할 수 있다. 특히, 앞서 설명한 바와 같이 -100℃ 부분의 사진을 비교해 보면, A, C강은 파면 부근에 소성 변형이 집중되어 단열성 전단밴드가 형성되지만, B강은 단열성 전단밴드가 관찰되지 않고 파면에서 떨어진 시편 내부에까지 변형이 잘 일어난다. 이로부터 PF로 주로 구성된 B강은 저온 변태상들로 구성된 A, C강보다 최대 전단 응력은 낮지만 가장 높은 파괴 전단 변형율을 나타낸다.Referring to (a) to (f) of Figure 14, it can be seen that the B steel is less concentrated in the plastic deformation than the other two steel at -50 ℃ and -100 ℃ temperature. In particular, when comparing the photograph of the -100 ℃ portion as described above, the A, C steel is a thermal shear band is formed by the plastic deformation is concentrated near the wave surface, but the B steel is a specimen that is separated from the wave surface without the adiabatic shear band observed Deformation occurs well inside. From this, B steel mainly composed of PF shows the highest fracture shear strain but lower maximum shear stress than A and C steel composed of low temperature transformation phases.

한편, A강과 C강을 비교하면, 약 5% 정도로 가장 많은 2차상을 포함하고 GB보다 더 단단한 상인 UB를 포함한 C강이 더 높은 최대 전단 응력을 보여준다. 그러나 온도가 내려감에 따라 동적 하중 하에서 미세 조직이 기계적 물성에 미치는 영향이 달라진다. 강종에 따라 온도 감소에 다른 파괴 전단 변형율이 낮아지는 비율이 달라진다. 앞서 설명한 바와 같이 도 12에서 점선으로 표시한 영역은 상온에서는 A강이 C강보다 더 높은 파괴 전단 변형율을 가지지만, 온도가 감소함에 따라 급격하게 감소하여 -100℃에서는 C강보다 오히려 낮은 파괴 전단 변형율을 나타낸다. On the other hand, comparing A and C steels, C steels, including UB, which contain the most secondary phases of about 5% and are harder than GB, show higher maximum shear stresses. However, as the temperature decreases, the effect of microstructure on the mechanical properties under dynamic loading is different. Depending on the steel grade, the rate at which other fracture shear strains decrease with temperature decreases. As described above, the region indicated by the dotted line in FIG. 12 shows that A steel has a higher fracture shear strain than C steel at room temperature, but decreases rapidly as temperature decreases, and lower than C steel at -100 ° C. The strain is shown.

이렇게 저온에서 동적 하중이 가해질 때 강종에 따라 파괴 전단 변형율의 차이가 발생하는 이유를 EBSD 분석으로 구한 유효 결정립도로 설명할 수 있다. 유효 결정립도는 벽개 균열이 직선적으로 진행하는 거리와 상관성이 있으며, 고경각의 결정립계가 벽개 균열 진행에 대한 방해물로서 얼마나 효과적으로 작용하는가를 의미한다. 유효 결정립도가 작을수록 파괴에 대한 저항성이 우수하다고 할 수 있으며, 저온으로 내려갈수록 역할이 커져서 기계적 성질에 직접적으로 영향을 미친다. The reason why the difference of fracture shear strain occurs in different steel grades when dynamic load is applied at low temperature can be explained by the effective grain size obtained by EBSD analysis. The effective grain size correlates with the linear progression of the cleavage crack, which means how effectively the high-angle grain boundary acts as an obstacle to the cleavage crack progression. The smaller the effective grain size, the better the resistance to fracture, and the lower the temperature, the greater the role, which directly affects mechanical properties.

도 6과 표 3을 보면, A강은 약 40 μm의 조대한 GB의 영향으로 C강보다 유효 결정립도가 크다. A강에 존재하는 큰 유효 결정립도의 GB는 저온 파괴시 균열을 직선적으로 길고 빠르게 진행시키므로, -100℃에서 실시한 동적 비틀림 시험에서 A강은 C강보다 낮은 파괴 전단 변형율을 나타낸다. 결과적으로, 강재 시편의 파괴 전단 변형율은 동적 비틀림 시험 장치의 시험 온도가 낮아짐에 따라 낮아지되, 강재 시편의 유효 결정립도에 따라 낮아지는 비율이 달라질 수 있다. 6 and Table 3, A steel has a larger effective grain size than C steel under the influence of coarse GB of about 40 μm. Because of the large effective grain size GB present in steel A, the fracture progresses linearly long and rapidly at low temperature fracture, so steel A exhibits lower fracture shear strain than dynamic steel in dynamic torsion tests conducted at -100 ° C. As a result, the fracture shear strain of the steel specimen may be lowered as the test temperature of the dynamic torsion test apparatus is lowered, but the ratio lowered depending on the effective grain size of the steel specimen.

저온에서 A, C강의 파괴 전단 변형율의 차이는 단열성 전단밴드의 형성 정도로 설명할 수 있다. 즉, 파괴 전단 변형율은 단열성 전단 밴드의 두께나 형성 유무에 따라 달라질 수 있다. 단열성 전단 밴드의 두께(폭)가 넓다는 것은 시편 전체에서 변형이 고르고 쉽게 일어나 소성 불균형으로 인한 변형 집중이 적게 일어난다는 것을 의미한다. 단열성 전단 밴드는 변형이 집중된 영역을 의미하므로, 넓은 밴드에서는 변형 집중이 적게 일어난다. 도 14의 (d)와 (f)를 비교해 보면, C강의 단열성 전단 밴드의 폭(두께)은 A강보다 2배 정도 넓으며, 이는 A강에서 단열성 전단밴드, 즉 국부적인 소성변형이 더 심하게 일어나서 파괴에 대한 저항성이 낮아진다는 것을 의미한다.The difference in fracture shear strains of A and C steels at low temperatures can be explained by the formation of adiabatic shear bands. That is, the fracture shear strain may vary depending on the thickness or formation of the insulating shear band. The large thickness (width) of the adiabatic shear band means that the deformation is even and easy throughout the specimen, resulting in less strain concentration due to plastic imbalance. Since adiabatic shear bands mean areas where strain is concentrated, less strain concentration occurs in wide bands. 14 (d) and (f), the width (thickness) of the heat insulating shear band of steel C is about twice as wide as that of steel A, which is more severe than the heat insulating shear band, that is, local plastic deformation in steel A. It means that the resistance to breakdown is lowered.

A강은 앞서 설명한 바와 같이 -100℃에서 급격한 파괴 전단 변형율의 감소를 나타내며, 이에 따라 전단 변형율의 증가에 따라 전단 응력이 충분하게 증가하지 못하게 되어 도 13의 점선 영역에서 보듯이 최대 전단응력도 감소한다. 따라서, A강은 저온 동적 하중 하에서 변형되면, 단열성 전단 밴드가 잘 형성되고 파괴 저항성이 낮아져 전단 변형율과 함께 전단 응력도 감소한다. As described above, the steel A exhibits a sharp decrease in fracture shear strain at -100 ° C. As a result, the shear stress is not sufficiently increased as the shear strain increases, so that the maximum shear stress is also reduced as shown in the dotted line region of FIG. 13. . Therefore, when the steel A is deformed under low temperature dynamic load, the adiabatic shear band is well formed and the fracture resistance is lowered so that the shear stress along with the shear strain is reduced.

A, C강에서 단열성 전단밴드 형성 정도에 차이가 나는 이유는 공동 형성 정도로 설명할 수 있다. 단열성 전단 밴드는 강재 시편의 공동 형성의 수에 따라 달라질 수 있다. 재료에 동적 하중이 가해질 때 가해진 일 에너지는 변형중 공동의 생성 및 성장과정을 거쳐 연성 파괴를 일으키는 구동력이 되며, 그 일부는 단열성 전단 밴드의 형성에 사용될 수 있다. 내부에 가해진 변형 에너지의 일부가 공동의 생성 및 성장과 관련된 부분에 사용되면, 이에 사용된 변형 에너지만큼 단열성 전단 밴드를 형성시키기 위한 구동력이 감소하게 된다. The reason for the difference in the degree of thermal shear band formation in A and C steels can be explained by the degree of cavity formation. The adiabatic shear band may vary depending on the number of cavity formations in the steel specimen. When dynamic loads are applied to the material, the work energy is the driving force that causes ductile failure through the creation and growth of cavities during deformation, some of which can be used to form adiabatic shear bands. If part of the strain energy applied therein is used in the part related to the creation and growth of the cavity, the driving force for forming the adiabatic shear band is reduced by the strain energy used therein.

도 14의 (d)와 (f)를 비교해 보면, A, C강 사이에 공동 형성 정도의 차이가 큰 것을 알 수 있으며, 이를 정량적으로 해석하기 위해 동적 비틀림 시편 파면 아래 영역에서 단위 면적당 공동의 수를 도 15에 도시한 바 있다. 도 15에 도시한 바와 같이 -100℃에서는 C강이 A강보다 5배 정도 공동의 수가 많다. Comparing (d) and (f) of Figure 14, it can be seen that the difference in the degree of cavity formation between the A, C steel is large, in order to quantitatively interpret the number of cavities per unit area in the area under the dynamic torsional specimen wavefront 15 is shown in FIG. As shown in FIG. 15, at -100 ° C, the number of cavities is about five times larger than that of A steel.

따라서 C강은 A강보다 더 많은 변형에너지를 공동의 형성 및 성장에 소비함으로써 단열성 전단 밴드 형성 가능성이 A강보다 낮다고 할 수 있으며, 단열성 전단 밴드의 폭도 두껍게 나타난다. 즉, 단상 영역 압연강의 강재 시편은 압연 조건에 따라 단열성 전단 밴드의 폭이 달라질 수 있다. Therefore, steel C consumes more strain energy than the steel A to form and grow a cavity, and thus, the possibility of forming a heat insulating shear band is lower than that of the steel A, and the width of the heat insulating shear band is also thick. That is, the width of the insulating shear band of the steel specimen of the single-phase region rolled steel may vary depending on the rolling conditions.

공동은 전단 변형의 양립성이 어려운 자리에서 불균일하게 생성된다. 공동 형성의 우선적인 자리는 개재물이나 미세한 입자들이며, 입자들이 없는 금속에서는 입계 삼중점에서 공동이 형성될 수 있다. C강이 A강보다 공동 수가 많은 이유는 작고 고른 유효 결정립도 때문이다. The cavity is created non-uniformly in a site where shear strain compatibility is difficult. Preferred sites for cavity formation are inclusions or fine particles, and in metals without particles, voids may form at the grain boundary triple point. The reason why steel C has more cavities than steel A is because of its small and even effective grain size.

도 6의 (a)-(c)와 표 3을 보면, C강의 유효 결정립도가 가장 작고 고경각 결정립계의 분율도 가장 높다는 것을 확인할 수 있다. A강은 40 μm정도의 조대한 GB를 포함하고 있어 유효 결정립도가 크고 입계 삼중점 자리도 적지만, C강은 15 μm정도 크기의 미세한 AF가 많아 유효 결정립도가 작고 입계 삼중점의 분율이 높아 공동 형성 자리가 많다. 6 (a)-(c) and Table 3, it can be seen that the effective grain size of C steel is the smallest and the fraction of the high-angle grain boundary is the highest. Steel A contains coarse GB of about 40 μm and has a large effective grain size and few grain triple points, but steel C has a large size of 15 μm fine AF, so the effective grain size is small and the fraction of the grain triple point has a high co-forming position. There are many.

또한 C강은 Ni, Mo, C 등과 같은 경화능 원소가 많이 첨가되어 2차상의 부피 분율이 높고, 2차상들도 공동 형성 자리를 제공하는 역할을 한다. 따라서 공동 형성 자리가 많은 C강은 변형시 공동 형성이 쉽게 이루어지면서 단열성 전단 밴드를 형성할 에너지를 소비하여 소성 변형의 집중 정도가 감소되어 단열성 전단 밴드의 형성 가능성이 A강보다 낮아진다. 공동의 수는 강재 시편의 유효 결정립도와 2차상 분율로 판단할 수 있다. In addition, C steel has a high volume fraction of the secondary phase due to the addition of hardenable elements such as Ni, Mo, and C, and the secondary phases also serve to provide a co-forming site. Therefore, C steel having a large number of cavity forming sites easily forms a cavity during deformation and consumes energy to form a heat insulating shear band, thereby reducing the concentration of plastic deformation, thereby lowering the possibility of forming a heat insulating shear band than A steel. The number of cavities can be determined by the effective grain size and secondary phase fraction of the steel specimen.

이와 같이 AF가 많이 형성된 단상 영역 압연강은 PF가 주로 형성된 이상 영역 압연강보다 동적 하중 하에서 높은 전단 응력를 가지지만, 저온에서는 단열성 전단밴드가 형성되어 연신율이 감소한다는 것을 미세 조직과 연관지어 설명하였다. As described above, the single phase region rolled steel in which many AFs are formed has higher shear stress under dynamic load than the abnormal region rolled steel in which PF is mainly formed.

특히 A강은 조대한 GB를 많이 포함하여 유효 결정립도가 크고 이에 따라 단열성 전단 밴드가 형성되기 쉬워진다. 이는 AF로 대부분 이루어진 A강에서 조대한 GB가 형성되면 이 GB가 전반적인 동적 변형 성질을 나쁘게 하기 때문이다. 따라서 열간 압연 조건을 적절하게 제어함으로써 GB가 조대해지지 않도록 유의하여야 한다. In particular, steel A contains a large number of coarse GBs, so that the effective grain size is large, whereby a heat insulating shear band is easily formed. This is because when coarse GB is formed in steel A, which is mostly composed of AF, this GB degrades the overall dynamic deformation properties. Therefore, care should be taken not to coarsen the GB by appropriately controlling hot rolling conditions.

이에 반해 C강은 AF와 함께 미세한 UB로 이루어져 있어 작은 유효 결정립도를 가지고 저온 동적 기계적 성질이 A강보다 우수하다. 이는 적절한 합금 설계와 열간 압연 조건에 의해 전단 응력은 물론 저온 동적 연신율까지 동시에 향상시킬 수 있음을 알려준다. On the contrary, C steel is composed of fine UB together with AF, so it has a small effective grain size and excellent low temperature dynamic mechanical properties than A steel. This suggests that not only shear stress but also low temperature dynamic elongation can be improved simultaneously by proper alloy design and hot rolling conditions.

100: 저온 동적 비틀림 시험 장치, 100a: 준정적 하중 시스템, 100b: 테이터 수집 시스템, 100c: 동적 하중 시스템, 2: 조임쇠. 4: 다이내믹 로딩 풀리, 10: 강재 시편, 11: 강재 시편의 게이지부 6, 12, 14: 게이지. 32: 오실로스코프, 16: 전원장치, 36: PC(Personal Computer), 41: 봉(bar), 42: 유압 펌프, 43 및 44: 압축기, 45: 정적 로딩 풀리, 46: 전동기, 47: 감속기, 20: LVDT(Linear variable Differential Transformer), 52, 54, 56, 60: 냉매 분사 장치, 52: 냉매 공급 탱크, 54: 냉매 분사 노즐, 56: 냉매 수거 탱크, 60: 열전대100: low temperature dynamic torsion test apparatus, 100a: quasi-static load system, 100b: data collection system, 100c: dynamic load system, 2: fasteners. 4: dynamic loading pulley, 10: steel specimen, 11: gauge portion of steel specimen 6, 12, 14: gauge. 32: oscilloscope, 16: power supply, 36: personal computer (PC), 41: bar, 42: hydraulic pump, 43 and 44: compressor, 45: static loading pulley, 46: electric motor, 47: reducer, 20 : LVDT (Linear variable differential transformer), 52, 54, 56, 60: refrigerant injection device, 52: refrigerant supply tank, 54: refrigerant injection nozzle, 56: refrigerant collection tank, 60: thermocouple

Claims (12)

강재 시편을 준비하고;
냉매 분사 장치를 구비하는 동적 비틀림 시험 장치를 이용하여 상기 강재 시편을 상온보다 낮은 저온에서 저온 동적 비틀림 시험하고;
상기 저온 동적 비틀림 시험을 통해 상기 강재 시편의 물성 파라미터를 취득하고;
상기 물성 파라미터를 분석하여 상기 강재 시편의 저온 동적 변형 특성을 평가하는 것을 포함하며,
상기 물성 파라미터는 상기 강재 시편의 파괴 전단 변형율이고,
상기 강재 시편의 파괴 전단 변형율은 상기 강재 시편의 단열성 전단 밴드의 두께나 형성 유무에 따라 달라지며,
상기 단열성 전단 밴드는 상기 강재 시편의 공동 형성의 수에 따라 달라지는 것을 특징으로 하는 강재의 동적 변형 특성 평가 방법.
Preparing steel specimens;
A low temperature dynamic torsion test of the steel specimens at a lower temperature than room temperature using a dynamic torsion test apparatus having a refrigerant injection device;
Obtaining physical property parameters of the steel specimen through the low temperature dynamic torsion test;
Analyzing the physical property parameters to evaluate low temperature dynamic deformation characteristics of the steel specimen,
The physical property parameter is the fracture shear strain of the steel specimen,
Fracture shear strain of the steel specimen is dependent on the thickness or formation of the insulating shear band of the steel specimen,
And wherein said thermally insulating shear band is dependent upon the number of cavity formations of said steel specimen.
제1항에 있어서, 상기 저온 동적 비틀림 시험시 상기 냉매 분사 장치를 이용하여 상기 강재 시편에 냉매를 분사하여 수행하는 것을 특징으로 하는 강재의 동적 변형 특성 평가 방법. The method of claim 1, wherein the coolant is sprayed on the steel specimen using the coolant spray device during the low temperature dynamic torsion test. 제2항에 있어서, 상기 냉매 분사 장치는 냉매 공급 탱크와, 상기 냉매 공급 탱크에 연결되어 상기 강재에 냉매를 분사하는 냉매 분사 노즐과, 상기 냉매 분사 노즐로부터 분사된 냉매를 수거하는 냉매 수거 탱크, 및 냉매나 강재 시편의 온도를 측정하는 열전대로 구성되고,
상기 냉매 분사 노즐을 통해 분사된 냉매를 통해 상기 강재 시편을 상온보다 낮은 온도에서 저온 동적 비틀림을 시험하는 것을 특징으로 하는 강재의 동적 변형 특성 평가 방법.
According to claim 2, wherein the refrigerant injection device is a refrigerant supply tank, a refrigerant injection nozzle connected to the refrigerant supply tank for injecting the refrigerant to the steel, a refrigerant collection tank for collecting the refrigerant injected from the refrigerant injection nozzle, And a thermocouple for measuring the temperature of the refrigerant or the steel specimen,
A method of evaluating dynamic deformation characteristics of steel, characterized in that for testing the low temperature dynamic twisting of the steel specimen at a temperature lower than room temperature through the refrigerant injected through the refrigerant injection nozzle.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 강재 시편의 파괴 전단 변형율은 상기 동적 비틀림 시험 장치의 시험 온도가 낮아짐에 따라 낮아지되, 상기 강재 시편의 유효 결정립도에 따라 낮아지는 비율이 달라지는 것을 특징으로 하는 강재의 동적 변형 특성 평가 방법. The method of claim 1, wherein the fracture shear strain of the steel specimen is lowered as the test temperature of the dynamic torsion test device is lowered, but the rate of lowering according to the effective grain size of the steel specimen is changed. Characteristic evaluation method. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 공동의 수는 상기 강재 시편의 유효 결정립도와 2차상 분율로 판단하는 것을 특징으로 하는 강재의 동적 변형 특성 평가 방법. The method of claim 1, wherein the number of cavities is determined by the effective grain size and the secondary phase fraction of the steel specimen. 제1항에 있어서, 상기 강재 시편은 라인파이프강으로 구성되고 상기 강재 시편은 단상 영역 압연강 또는 이상 영역 압연강인 것을 특징으로 하는 강재의 동적 변형 특성 평가 방법. The method according to claim 1, wherein the steel specimen is made of line pipe steel and the steel specimen is single phase region rolled steel or abnormal region rolled steel. 제9항에 있어서, 상기 이상 영역 압연강의 강재 시편의 파괴 전단 변형율이 상기 단상 영역 압연강의 강재 시편보다 더 높은 것을 특징으로 하는 강재의 동적 변형 특성 평가 방법. 10. The method of claim 9, wherein the fracture shear strain of the steel specimen of the abnormal zone rolled steel is higher than that of the steel specimen of the single-phase zone rolled steel. 제9항에 있어서, 상기 이상 영역 압연강의 강재 시편은 단열성 전단 밴드가 형성되지 않고, 상기 단상 영역 압연강의 강재 시편은 단열성 전단 밴드가 형성되는 것을 특징으로 하는 강재의 동적 변형 특성 평가 방법.10. The method of claim 9, wherein the steel specimen of the abnormal region rolled steel does not have an insulating shear band, and the steel specimen of the single phase region rolled steel has an insulating shear band. 제9항에 있어서, 상기 단상 영역 압연강의 강재 시편은 압연 조건에 따라 단열성 전단 밴드의 폭이 달라지는 것을 특징으로 하는 강재의 동적 변형 특성 평가 방법.10. The method of claim 9, wherein the steel specimen of the single-phase region rolled steel varies in width of the insulating shear band according to rolling conditions.
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