KR102580265B1 - 강재의 저온 충격흡수에너지 예측방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 첨가 원소의 종류와 함량에 따른 상기 탄성계수비와 저온 충격흡수에너지의 상관관계를 취득하여 설계대상 강재의 저온 충격흡수에너지를 예측하는 강재의 저온 충격흡수에너지 예측방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 강재의 저온 충격흡수에너지 예측방법은, 설계대상 강재의 저온 충격흡수에너지와 온도와의 상관관계를 수립하는 단계; 상기 설계대상 강재에 첨가되는 하나 또는 그 이상의 첨가 원소를 선택하는 단계; 상기 첨가 원소의 함량에 대한 부피탄성계수와 전단탄성계수의 비율로서 탄성계수비를 산출하는 단계; 및 상기 탄성계수비를 상기 상관관계에 대입하여 상기 설계대상 강재의 저온 충격흡수에너지를 예측하는 단계;를 포함한다.

Description

강재의 저온 충격흡수에너지 예측방법{Method of estimating low temperature impact absorption energy of steel}
본 발명의 기술적 사상은 강재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 강재의 저온 충격흡수에너지 예측방법에 관한 것이다.
국제적 환경 규제 강화에 따른 친환경 에너지 소재에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 액화천연가스 및 액화수소의 저장 및 수송에 사용되는 극저온 강재 또는 금속의 개발이 가속화 되고 있다. 이러한 극저온 강재의 경우 -196℃ 이하의 온도에서도 우수한 저온인성을 가질 것을 요구된다. 일반적으로 강재에 니켈을 첨가함으로써 저온에서의 인성이 향상되는 것으로 알려져 있으며, 약 9% 정도의 니켈을 포함하는 강이 많이 사용되었다. 그러나, 높은 가격과 규제로 인해 니켈을 대체하는 극저온 강재 개발의 필요성이 대두 되고 있다. 다만, 일반적으로 사용되는 극저온 소재를 대체할 수 있는 강재 개발을 통상적인 방법으로 진행하게 될 경우, 강재의 합금 설계 및 성분계의 탐색에 대한 많은 시간이 소요될 수 있다. 따라서, 강재의 저온 충격흡수에너지를 용이하게 평가하는 방법이 요구되고 있다.
중국특허출원번호 제2016-11055165호
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 강재의 저온 충격흡수에너지 예측방법을 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의하면, 강재의 저온 충격흡수에너지 예측방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 강재의 저온 충격흡수에너지 예측방법은, 설계대상 강재의 저온 충격흡수에너지와 온도와의 상관관계를 수립하는 단계; 상기 설계대상 강재에 첨가되는 하나 또는 그 이상의 첨가 원소를 선택하는 단계; 상기 첨가 원소의 함량에 대한 부피탄성계수와 전단탄성계수의 비율로서 탄성계수비를 산출하는 단계; 및 상기 탄성계수비를 상기 상관관계에 대입하여 상기 설계대상 강재의 저온 충격흡수에너지를 예측하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 상관관계는 하기의 식으로 표현될 수 있다.
KvT = Kv0 + exp[A x T] - 1.00
Kv0 = 410 x (B/G) - 610
A = (B/G) x 0.0011
(여기에서, KvT 는 절대온도 T 에서의 저온 충격흡수에너지, Kv0 는 절대온도 0K 에서의 저온 충격흡수에너지, T는 절대온도, B는 부피탄성계수, G는 전단탄성계수임)
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 설계대상 강재의 저온 충격흡수에너지와 온도와의 상관관계를 수립하는 단계는, 상기 하나 또는 그 이상의 첨가 원소를 함유하는 실험대상 강재를 준비하는 단계; 상기 실험대상 강재의 저온 충격흡수에너지를 온도를 변화시켜 측정하는 단계; 및 상기 측정된 저온 충격흡수에너지와 상기 온도와의 상관관계를 도출하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 실험대상 강재의 저온 충격흡수에너지를 온도를 변화시켜 측정하는 단계는 샤르피 충격시험을 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 첨가 원소는, 망간(Mn), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 및 크롬(Cr) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 부피탄성계수(B) 및 상기 전단탄성계수(G)는 제일원리계산을 이용하여 취득할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의할 경우, 강재의 저온 충격흡수에너지 예측방법은 강재를 구성하는 금속이 가지는 기본 특성 및 한정된 측정 데이터를 바탕으로 용이하게 금속의 극저온 충격 에너지의 예측 및 평가에 사용 할 수 있는 새로운 예측방법을 제시하고, 이를 바탕으로 극저온 금속의 새로운 합금계를 개발 및 설계를 최적화 할 수 있는 방법을 제공 한다. 이를 통해 기존에 극저온 금속소재를 개발하기 위해 소모되는 시간 및 시험 횟수를 저감할 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 강재의 저온 충격흡수에너지 예측방법을 도시하는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 강재의 저온 충격흡수에너지 예측방법을 수행하는 강재의 저온 충격흡수에너지 예측 시스템을 도시하는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 강재의 저온 충격흡수에너지 예측방법에 의하여 예측된 저온 충격흡수에너지와 실제 측정된 저온 충격흡수에너지를 비교한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
극저온 강재의 개발에서 가장 중요한 요소는 극저온에서의 인성이다. 일반적으로, -196℃ 에서 샤르피 충격 시험을 통해서 충격 흡수에너지를 측정하지만, 강재의 성분계 및 공정 조건에 따른 매우 많은 수의 시험을 진행하여 결과를 분석하기에는 시험 조건 및 시험 횟수의 측면에서 평가하면, 매우 까다로운 실험법이다.
본 발명의 기술적 사상은, 강재의 특정 성분계가 갖게 되는 기본 물성을 활용하거나, 혹은 측정되었지만 한정적인 데이터를 기반으로 해당 강재의 저온 충격흡수에너지를 예측하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상에 따르면, 강재의 연신율 특성과 상관관계를 가지는 탄성계수 비율(B/G)과 극저온 강재 개발에 필수적인 수치인 저온 충격흡수에너지 사이의 상관관계를 수식화함으로써, 강재의 극저온 특성인 저온 충격흡수에너지를 용이하게 예측할 수 있고, 강재의 합금 설계를 용이하게 수행할 수 있다.
극저온 강재 개발에서 중요한 요소 중에 하나는 극저온 환경에서 강재의 연성이 크고 반면 취성은 작아야 한다. 강재의 연성은 전위 이동성과 관련이 있으며, 강재의 취성은 부피탄성계수와 관련이 있다. 부피탄성계수(Bulk modulus, B)는 상기 강재를 구성하는 금속이 부피가 증가할 때 저항하는 정도를 나타내는 값이며, 상기 부피탄성계수가 클수록 외부 영향에 의한 부피증가가 작아지게 된다. 따라서, 상기 부피탄성계수가 큰 강재는 취성에 대한 저항이 우수할 수 있다. 전단탄성계수(Shear modulus, G)는 상기 강재를 구성하는 금속이 전단변형에 대하여 저항하는 정도를 나타내는 값이며, 상기 전단탄성계수의 값이 작을수록 변형에 대한 전위 이동성이 증가하므로, 연성이 커지게 된다.
따라서, 상기 탄성계수 비율이 증가될수록 상기 강재는 연성 특성이 두드러지게 되고, 감소될수록 상기 강재는 취성 특성이 두드러지게 된다. 상기 연성 특성과 상기 취성 특성이 전이되는 상기 탄성계수 비율(B/G)은 1.75로 알려져 있다. 일반적으로, 온도가 낮을 수록 취성 특성이 두드러지므로, 상기 탄성계수 비율이 높은 극저온 강재를 개발할 필요가 있고, 상기 탄성계수 비율이 커질수록 연성이 증가되므로, 극저온에서도 충격흡수에너지가 증가된다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 강재의 저온 충격흡수에너지 예측방법(S100)을 도시하는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 강재의 저온 충격흡수에너지 예측방법(S100)은, 설계대상 강재의 저온 충격흡수에너지와 온도와의 상관관계를 수립하는 단계(S110); 상기 설계대상 강재에 첨가되는 하나 또는 그 이상의 첨가 원소를 선택하는 단계(S120); 상기 첨가 원소의 함량에 대한 부피탄성계수와 전단탄성계수의 비율로서 탄성계수비를 산출하는 단계(S130); 및 상기 탄성계수비를 상기 상관관계에 대입하여 상기 설계대상 강재의 저온 충격흡수에너지를 예측하는 단계(S140);를 포함한다.
상기 상관관계는 하기의 식 1 내지 식 3으로 표현될 수 있다.
<식 1>
KvT = Kv0 + exp[A x T] - 1.00
<식 2>
Kv0 = 410 x (B/G) - 610
<식 3>
A = (B/G) x 0.0011
(상기 식 1 내지 식 3에서, KvT 는 절대온도 T 에서의 저온 충격흡수에너지, Kv0 는 절대온도 0K 에서의 저온 충격흡수에너지, T는 절대온도, B는 부피탄성계수, G는 전단탄성계수임)
도 2를 참조하면, 상기 설계대상 강재의 저온 충격흡수에너지와 온도와의 상관관계를 수립하는 단계(S110)는, 상기 하나 또는 그 이상의 첨가 원소를 함유하는 실험대상 강재를 준비하는 단계(S111); 상기 실험대상 강재의 저온 충격흡수에너지를 온도를 변화시켜 측정하는 단계(S112); 및 상기 측정된 저온 충격흡수에너지와 상기 온도와의 상관관계를 도출하는 단계(S113);를 포함할 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며, 상기 상관관계를 수립하는 단계(S110)는 다양한 방식으로 구현될 수 있다.
상기 실험대상 강재의 저온 충격흡수에너지를 온도를 변화시켜 측정하는 단계(S112)는 샤르피 충격시험을 이용하여 수행될 수 있다.
상기 첨가 원소는 망간(Mn), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 및 크롬(Cr) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 탄성계수비(B/G)는 상기 부피탄성계수(B)를 전단탄성계수(G)로 나눈 수치일 수 있다.
상기 부피탄성계수(B) 및 상기 전단탄성계수(G)는 제일원리계산을 이용하여 취득할 수 있다. 또는, 상기 부피탄성계수(B) 및 상기 전단탄성계수(G)는 측정을 통하여 취득할 수 있다.
상기 제일원리계산(first principles calculation)은 양자역학에 기반한 계산 방법으로, 물질의 성질을 원자들의 위치와 종류를 제외한 다른 경험적인 수치의 도움 없이 계산하는 방법이다. 이런 특성 때문에 현실적인 물리량을 계산할 수 있어, 실험 결과와의 직접적인 비교가 용이할 뿐만 아니라, 예측능력을 가지고 있는 방법이 다. 양자역학은 20세기에 정립되어, 수많은 실험을 통해 검증된 방법으로, 슈뢰딩거의 파동방정식에 의해 전자의 거동을 계산할 수 있음이 알려져 있다. 하지만 고체 내의 수많은 상호작용하는 전자를 기술하기 위해서는 이 방법은 한계를 가지고 있으며, 실제적인 활용은 독립된 원자의 상태를 계산하거나 몇몇 원자들로 구성된 간단한 분자의 양자상태를 계산하는 범위로 제한되어 있다. 고체의 상태의 기술하기 위해서는 상호작용하는 전자들의 다체적인 슈뢰딩거 파동방정식을 계산하는 대신에, 상호작용하지 않는 준입자(quasiparticle)의 거동을 기술하는 밀도범함수이론(density functional theory)이 주로 쓰이고 있다. 본 발명에서 상기 제일원리계산에 사용되는 변수는, 강재의 구성원소들의 원자번호, 원자위치, 격자상수, 등이 있다. 상기 제일원리계산은 EMTO-CPA(exact muffin-tin orbital method combined with coherent potential approximation)를 이용하여 수행 되었으며, VASP (Vienna Ab initio Simu.ation Package), FLAPW (Full-potential Linearized Augmented Plane wave), CASTEP(CAmbridge Serial Total Energy Package), Quantum Espresso 등의 상업용 또는 공개 소프트웨어로 수행할 수 있다.
상기 저온 충격흡수에너지와 온도와의 상관관계를 이용하여, 금속 물질의 탄성 특성을 측정, 계산 등의 방법으로 이미 알고 있을 때 온도에 따른 충격흡수에너지 값을 예측 할 수 있다. 또한, 극저온이 아닌 저온에서의 충격흡수에너지 값들을 알고 있을 때, 극저온에서의 충격흡수에너지 값을 예측하여 비교 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 강재의 저온 충격흡수에너지 예측방법을 수행하는 강재의 저온 충격흡수에너지 예측 시스템(100)을 도시하는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 강재의 저온 충격흡수에너지 예측 시스템(100)은, 설계대상 강재의 저온 충격흡수에너지와 온도와의 상관관계를 수립하는 상관관계 수립부(110), 상기 첨가 원소의 함량에 대한 부피탄성계수와 전단탄성계수의 비율로서 탄성계수비를 산출하는 탄성계수비 산출부(120), 및 상기 탄성계수비를 상기 상관관계에 대입하여 상기 설계대상 강재의 저온 충격흡수에너지를 예측하는 충격흡수에너지 예측부(130)를 포함한다. 상기 강재판정 시스템(100)은 컴퓨터 등을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 상관관계 수립부(110)는 상기 상관관계를 수립하기 위하여 연산을 수행하는 제1 연산부(112)를 포함할 수 있다. 상기 탄성계수비 산출부(120)는 상기 탄성계수비를 산출하기 위하여 제일원리계산을 이용하여 연산을 수행하는 제2 연산부(122)를 포함할 수 있다. 상기 충격흡수에너지 예측부(130)는 저온 충격흡수에너지를 예측하는 연산을 수행하는 제3 연산부(132)를 포함할 수 있다. 상기 제1 연산부(112), 상기 제2 연산부(122), 및 제3 연산부(132)는 별개의 연산부이거나 또는 통합된 연산부일 수 있다.
실험예
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
상기 강재의 저온 충격흡수에너지 예측 시스템(100)을 이용하여 강재의 상관관계의 매개변수들을 산출할 수 있고, 이에 따라 상기 강재의 극저온 충격흡수에너지를 매우 용이하게 예측할 수 있다. 또한, 저온 충격흡수에너지에 대한 첨가원소의 영향을 평가할 수 있다. 따라서, 실제 실험을 수행하지 않고도, 금속소재의 개발 및 실험을 용이하게 수행 할 수 있다.
이하에서는, 강재의 저온 충격흡수에너지를 예측하기 위한 매개변수들을 강재의 첨가원소에 대하여 제일원리계산을 이용하여 산출한 결과를 설명하기로 한다.
표 1은 상기 강재의 저온 충격흡수에너지 예측 시스템(100)을 이용하여 산출한 Fe-Mn 합금의 저온 충격흡수에너지의 상관관계에 적용되는 매개변수를 나타낸다.
표 1을 참조하면, 망간(Mn)의 함량이 증가될수록, 강재의 탄성계수비가 감소되었으므로, 상기 식 1의 계산결과에 따라 강재의 충격흡수에너지가 감소되고, 이에 따라 극저온 인성이 감소될 것으로 예측된다.
표 2는 상기 강재의 저온 충격흡수에너지 예측 시스템(100)을 이용하여 산출한 Fe-Ni 합금의 저온 충격흡수에너지의 상관관계에 적용되는 매개변수를 나타낸다.
표 2를 참조하면, 니켈(Ni)의 함량이 증가될수록, 강재의 탄성계수비가 증가되었으므로, 상기 식 1의 계산결과에 따라 강재의 충격흡수에너지가 증가되고, 이에 따라 극저온 인성이 증가될 것으로 예측된다.
표 3은 상기 강재의 저온 충격흡수에너지 예측 시스템(100)을 이용하여 산출한 Fe-Mn-Ni 합금의 저온 충격흡수에너지의 상관관계에 적용되는 매개변수를 나타낸다.
표 3을 참조하면, 망간(Mn)의 함량이 증가될수록, 강재의 탄성계수비가 감소되었으므로, 상기 식 1의 계산결과에 따라 강재의 충격흡수에너지가 감소되고, 이에 따라 극저온 인성이 감소될 것으로 예측된다. 반면, 니켈(Ni)의 함량이 증가될수록, 강재의 탄성계수비가 증가되었으므로, 상기 식 1의 계산결과에 따라 강재의 충격흡수에너지가 증가되고, 이에 따라 극저온 인성이 증가될 것으로 예측된다. 상기 예측 결과로부터, 예를 들어 9중량% 니켈 강재를 제조하기 위하여는 망간(Mn) 첨가를 최소화하는 것이 바람직하다.
표 4 내지 표 7은 상기 강재의 저온 충격흡수에너지 예측 시스템(100)을 이용하여 산출한 Fe-Mn-Ni-Mo 합금의 저온 충격흡수에너지의 상관관계에 적용되는 매개변수를 나타낸다.
표 4 내지 표 7을 참조하면, 망간(Mn)의 함량이 증가될수록, 강재의 탄성계수비가 감소되었으므로, 상기 식 1의 계산결과에 따라 강재의 충격흡수에너지가 감소되고, 이에 따라 극저온 인성이 감소될 것으로 예측된다. 반면, 니켈(Ni)의 함량이 증가될수록, 강재의 탄성계수비가 증가되었으므로, 상기 식 1의 계산결과에 따라 강재의 충격흡수에너지가 증가되고, 이에 따라 극저온 인성이 증가될 것으로 예측된다. 또한, 몰리브덴(Mo)의 함량이 증가될수록, 강재의 탄성계수비가 증가되었으므로, 상기 식 1의 계산결과에 따라 강재의 충격흡수에너지가 증가되고, 이에 따라 극저온 인성이 증가될 것으로 예측된다. 상기 예측 결과로부터, 예를 들어 9중량% 니켈 강재를 제조하기 위하여는, 1 중량% 이상의 니켈(Ni)과 0.1 중량% 이상의 몰리브덴(Mo)을 포함하는 것이 바람직하고, 이와 함께 망간(Mn) 첨가를 최소화하는 것이 바람직하다.
표 8 내지 표 11은 상기 강재의 저온 충격흡수에너지 예측 시스템(100)을 이용하여 산출한 Fe-Mn-Ni-Cr 합금의 저온 충격흡수에너지의 상관관계에 적용되는 매개변수를 나타낸다.
표 8 내지 표 11을 참조하면, 망간(Mn)의 함량이 증가될수록, 강재의 탄성계수비가 감소되었으므로, 상기 식 1의 계산결과에 따라 강재의 충격흡수에너지가 감소되고, 이에 따라 극저온 인성이 감소될 것으로 예측된다. 반면, 니켈(Ni)의 함량이 증가될수록, 강재의 탄성계수비가 증가되었으므로, 상기 식 1의 계산결과에 따라 강재의 충격흡수에너지가 증가되고, 이에 따라 극저온 인성이 증가될 것으로 예측된다. 반면, 크롬(Cr)의 함량이 증가될수록, 강재의 탄성계수비가 감소되었으므로, 상기 식 1의 계산결과에 따라 강재의 충격흡수에너지가 감소되고, 이에 따라 극저온 인성이 감소될 것으로 예측된다.
상기 예측 결과로부터, 예를 들어 9중량% 니켈 강재를 제조하기 위하여는, 1 중량% 이상의 니켈(Ni)을 포함하는 것이 바람직하고, 이와 함께 망간(Mn) 및 크롬(Cr) 첨가를 최소화하는 것이 바람직하다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 저온 충격흡수에너지 예측방법은, 강재의 부피탄성계수와 전단탄성계수의 탄성계수비(B/G)가 알려져 있거나, 계산을 통해 산출하면, 온도에 따른 충격흡수에너지를 예측할 수 있다.
이하에서는, 저온 충격흡수에너지 예측방법에 의하여 예측한 강재의 저온 충격흡수에너지와 실제 측정하여 취득한 강재의 저온 충격흡수에너지를 비교하기로 한다. 강재는, 니켈함유 강재와 망간함유 강재를 선택하였다.
표 12는 강재의 저온 충격흡수에너지를 예측하기 위하여 사용한 매개변수들을 나타낸다.
구분 Ni
(중량%)		 Mn
(중량%)		 B/G Kv0 A
니켈함유강재 9.42 0 2.086 245.16 0.022943
망간함유강재 0 6.89 1.599 20.404 0.016913
표 12를 참조하면, 제일원리 계산 또는 측정으로 얻어진 부피탄성계수와 전단탄성계수의 탄성계수비를 활용하여 상기 식 2의 Kv0 및 상기 식의 A 값을 구한다. 이 두 값을 상기 식 1에 적용하여 온도에 따른 충격흡수 에너지를 예측 할 수 있다.
표 13은 강재의 저온 충격흡수에너지를 실제 측정하기 위하여 사용된 강재의 합금 조성 및 함량을 나타낸다.
(중량%) C Si Mn Al Ni Mo P S
니켈함유강재 0.06 0.25 0.6 0015~0.055 9.2 0.06 0.005 0.001
망간함유강재 0.08 0.1 6.5 0.3 - - 0.0066 0.0008
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 강재의 저온 충격흡수에너지 예측방법에 의하여 예측된 저온 충격흡수에너지와 실제 측정된 저온 충격흡수에너지를 비교한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 니켈함유 강재와 망간함유 강재의 예측된 저온 충격흡수에너지와 측정된 저온 충격흡수에너지가 나타나있다. 두 가지 다른 강종에 대한 저온 충격흡수에너지 예측 값이 저온 충격흡수에너지 측정 값에 대하여 매우 높은 정확도로 일치함을 보여준다. 따라서, 강재의 저온 충격흡수에너지 예측방법은 강재의 저온 충격흡수에너지의 측정을 대체할 수 있다.
기존의 극저온 강재 또는 금속을 개발하기 위해서는, 극저온 상태에서 소재가 가지는 기계적 특성인 연성-취성 파괴 평가를 시행하여야 했다. 이러한 시험은 극한환경 구성 및 그 환경에서의 평가 시행이라는 두 가지 어려운 과정 뿐만 아니라 합금의 제조라는 복합적인 과정을 수행해야 한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상에 따른 강재의 저온 충격흡수에너지 예측방법은 앞의 세가지 어려움을 B/G 값과 충격흡수에너지 관계를 수식화 함으로써 극저온 소재의 평가 및 합금 탐색 방법을 매우 용이하게 수행하는 수단을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 따른 강재의 저온 충격흡수에너지 예측방법은, 종래의 극저온 소재의 개발에 필수이지만, 조성하기 매우 어려운 극저온 환경에 대한 기계적 성능 평가 대신하여, 비교적 조성하기 쉬운 저온 환경에서의 테스트 결과를 적용한 측정 데이터를 바탕으로 극저온 환경에서 금속 또는 합금이 가지는 기계적 특성을 예측할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 강재의 저온 충격흡수에너지 예측방법은, 금속의 연성과 관련한 기계적 특성과 밀접한 관련을 가지는 B/G 값을 계산 함으로써 시편의 제작과 그에 따른 기계적 특성평가 과정을 거치지 않고도 충격흡수에너지를 예측 할 수 있고, 이는 극저온 소재의 성능 향상 가능성 여부를 쉽게 판단할 수 있게 되어 시간과 비용을 크게 절감 할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 강재의 저온 충격흡수에너지 예측방법에 의하면, Ni 과 Mo는 극저온 인성 개선에 매우 효과적으로 작용하지만, Mn 및 Cr은 합금의 극저온 인성 개선에 불리하게 작용한다. 이와 같이, 본 발명에 의해서 합금의 성분 또는 첨가 원소들의 극저온 인성 개선 효과를 예측할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (6)

  1. 설계대상 강재의 저온 충격흡수에너지와 온도와의 상관관계를 수립하는 단계;
    상기 설계대상 강재에 첨가되는 하나 또는 그 이상의 첨가 원소를 선택하는 단계;
    상기 첨가 원소의 함량에 대한 상기 설계대상 강재의 부피탄성계수와 상기 설계대상 강재의 전단탄성계수의 비율로서 상기 설계대상 강재의 탄성계수비를 산출하는 단계; 및
    상기 탄성계수비를 상기 상관관계에 대입하여 상기 설계대상 강재의 저온 충격흡수에너지를 예측하는 단계;를 포함하는,
    강재의 저온 충격흡수에너지 예측방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상관관계는 하기의 식으로 표현되는,
    KvT = Kv0 + exp[A x T] - 1.00
    Kv0 = 410 x (B/G) - 610
    A = (B/G) x 0.0011
    (여기에서, KvT 는 절대온도 T 에서의 저온 충격흡수에너지, Kv0 는 절대온도 0K 에서의 저온 충격흡수에너지, T는 절대온도, B는 상기 설계대상 강재의 부피탄성계수, G는 상기 설계대상 강재의 전단탄성계수임)
    강재의 저온 충격흡수에너지 예측방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 설계대상 강재의 저온 충격흡수에너지와 온도와의 상관관계를 수립하는 단계는,
    상기 하나 또는 그 이상의 첨가 원소를 함유하는 실험대상 강재를 준비하는 단계;
    상기 실험대상 강재의 저온 충격흡수에너지를 온도를 변화시켜 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 저온 충격흡수에너지와 상기 온도와의 상관관계를 도출하는 단계;를 포함하는,
    강재의 저온 충격흡수에너지 예측방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 실험대상 강재의 저온 충격흡수에너지를 온도를 변화시켜 측정하는 단계는 샤르피 충격시험을 이용하여 수행되는,
    강재의 저온 충격흡수에너지 예측방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 첨가 원소는, 망간(Mn), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 및 크롬(Cr) 중 적어도 어느 하나를 포함하는,
    강재의 저온 충격흡수에너지 예측방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 설계대상 강재의 상기 부피탄성계수(B) 및 상기 설계대상 강재의 상기 전단탄성계수(G)는 제일원리계산을 이용하여 취득하는,
    강재의 저온 충격흡수에너지 예측방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09329593A (ja) * 1996-06-11 1997-12-22 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ２相ステンレス鋼の脆化検出法
JPH1048073A (ja) * 1996-08-07 1998-02-20 Kobe Steel Ltd 金属板の衝撃圧壊特性の評価方法
RU2562582C1 (ru) * 2011-08-09 2015-09-10 Ниппон Стил Энд Сумитомо Метал Корпорейшн Горячекатаный стальной лист с высоким отношением предела текучести к пределу прочности, который имеет превосходные характеристики поглощения энергии удара при низкой температуре и устойчивость к размягчению зоны термического влияния (haz), и способ его получения
KR102411444B1 (ko) * 2017-10-31 2022-06-22 대우조선해양 주식회사 금속 시편의 흡수 에너지 추정 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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