KR950006164B1 - 내후성강재의 응력부식균열감수성의 측정방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

내후성강재의 응력부식균열감수성의 측정방법

제1도는 본 발명의 실시예에 제시된 시험편의 상소둔 열처리 곡선을 나타내는 그래프.

제2도 및 제3도는 내후성 강재 시험편의 응력부식균열 시험전, 후의 인장강도값을 나타내는 그래프.

제4도 및 제5도는 내후성 강재 시험편의 응력부식균열 시험전, 후의 연신율 값을 나타내는 그래프.

제6도는 내후성 강재 시험편에 대한 응력부식 시험후의 인장시험편의 파단면형태도.

본 발명은 교량, 해양구조물, 건축물의 외장재등에 사용되는 내후성 강재에 대한 응력부식균열감수성의 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 내후성 강재의 응력부식균열의 감수성을 미량으로 신속하게 측정할 수 있는 방법에 관한 것이다. 내후성 강재는 교량, 해양구조물, 방음벽, 울타리, 육교, 지하철의 출입구, 건축물의 외장재, 지붕등에 주로 사용되고 있으며, 이 강재는 사용도중에 응력을 받아 모재 및 용접부에 응력부식균열이 발생하여 취성파괴를 일으켜 붕괴사고를 일으며 설비의 수명을 단축시키거나 수리보수비의 증가로 경제적인 피해를 가져왔었다. 지금까지 응력부식균열의 발생원인을 분석한 바에 의하면, 응력부식균열의 감수성이 높은 내후성 강재의 잘못된 선택에 주요원인이 있었다. 이러한 응력부식균열에 대한 피해를 감소시키기 위해서는 내후성 강재에 있어서 모재 혹은 용접열 영향부의 응력부식균열의 발생에 대한 미세한 감수성을 평가하여서 응력부식균열의 감수성이 낮은 재료를 선정하여야 하는데, 아직까지 정확하고 신속하게 대량으로 분석하고 평가하는 방법이 없었다.

지금까지 내후성 강재의 응력부식균열의 감수성을 측정하는 방법으로서 다음 네가지 방법으로 실시되어 왔었다.

첫째방법은 시험편을 부식분위기중에서 응력을 준 상태에서 침지하여 어느 일정한 시간후의 균열상태를 평가하는 방법인데, 이러한 시험방법중에서는 ASTM(standard)G30에 의해서 U밴드테스트(band test)하는 방법이 많이 사용된다. 그러나 상기 방법은 실험이 간단하고 대량으로 신속하게 측정할 수 있는 방법이지만 취화도가 다른 시편이 존재한다면 가할 굴곡반경의 범위를 설정하기가 어려운 상태에 있다. 결국 여러종류의 시험편에 전체가 소성변형의 한도를 넘어 취화균열을 일으켜 여러종류에 따른 취화정도를 파악하기 어려운 상태에 이르거나 혹은 시험편전체가 취화를 나타내지 않는 탄성변형의 범위내에 있어서 응력부식균열이 전혀 발생하지 않아 역시 취화정도를 파악하기가 어려운 문제점이 있다.

둘째방법은 인장시험편을 부식분위기중에서 응력을 준 상태에서 파단할때까지의 시간을 측정하는 방법인데, 이 방법은 시험편 한개가 파단되는데 최대 1000시간이 소요되기 때문에 응력부식균열의 감수성을 평가하는데 장시간이 요하고, 시험편 한개당 하나의 독립된 장치로 분리시켜야 하기 때문에 실험장치의 제작이 번거롭고 실험설비의 관리가 어렵다.

특히, 인장시험편 평행부의 평행상태정도, 시편의 표면상태, 장시간 실험에 따른 일정농도유지, 가스주입시 계속적인 상태유지가 실제 실험하는데 매우 어려운 작업이며 실험오차가 크게 발생하는 주요원인이 된다. 아울러 인장시험을 하여 인장강도와 항복강도를 우선 파악하여 강도에 따라서 가할 하중을 임의로 결정해야 한다. 또한, 상기 방법은 재료의 강도와 실험중에 가할 하중을 알맞게 조립하여 파단하중을 1-1000시간범위내에 있도록 맞추는 작업은 실제로 매우 어렵기 때문에 하중조절에 시행착오를 수많이 거쳐야 하는 문제점이 있다.

셋째방법으로서는 응력부식균열시험편을 부식분위기중에서 천천히 인장하여 강도 및 연신율의 변화를 측정하여 부식되지 않은 시험편의 강도 및 연신율과 비교하여서 그 취화도를 결정하는 방법이다. 상기 방법은 시험편 한개당 40시간이내로 실험이 끝나므로 둘째방법보다는 장시간이 요하지 않지만 시험편 한개당 하나의 독립된 장치로 분리하여야 하기 때문에 첫째방법보다 실험시간이 길고 실험장치의 제작이 번거롭고 설비관리가 어렵다. 또한 상기 방법역시 둘째방법과 마찬가지로 인장시험된 평행부의 평행상태정도, 시편의 표면상태, 파단시까지의 일정농도 및 ph값 유지, 가스주입시 계속적인 상태유지가 실제 실험하는데 매우 어려운 작업이며 실험오차가 크게 발생하는 주요원인이 된다. 무엇보다도 품질상의 큰 단점은 완전히 취약되지 않은 상태에서 강제로 파괴되기 때문에 완전히 취화후에 파단되는 둘째방법과는 그 재료의 취화도에서 큰 차이가 나기 때문에 취화도를 비록 응력-변형곡선에서 정량적으로 나타낸다고 하나 취성의 정도를 정확하게 분석하기가 어려운 실정에 있다.

넷째방법으로서는 응력부식균열 시험편을 1차로 굴곡시험하여 부식시키고난 다음 다시 같은 방향으로 2차로 취성균열을 완전히 나타내는 지점까지 굴곡하여 이때의 하중 혹은 변위값으로 균열감수성을 측정하는 방법이다.

이 방법은 둘째방법과 셋째방법보다도 실험이 간단하고 대량으로 신속하게 정량적으로 측정할 수 있는 방법이지만 부식하기전의 재료의 강도 혹은 연신율과 직접 비교할 수 없을 뿐만아니라 재료의 강도 혹은 연신율에 대한 취화도의 정도를 전혀 파악할 수 없으므로 응력부식에 의한 파괴사고가 나지않는 최대한의 강도 및 연신율의 범위를 측정할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로 부식분위기중에서 굴곡시험을 한 다음, 인장시험후 응력-변형곡선을 이용하여 내후성 강재의 응력부식균열감수성을 정확, 신속하고 정량적으로 측정할 수 있는 방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명은 동일크기의 내후성 강재 시험편을 제작하는 단계 ; 응력-변형곡선의 원점에서 부터 최대응력점까지의 변형에 대한 20-80%의 변형범위내에서 상기 시험편을 굴곡시험하는 단계 ; 상기와 같이 굴곡시험한 굴곡시험편 대하여 염수분무시험을 행하는 단계 ; 및 상기와 같이 염수분무시험을 한 굴곡시험편과 염수분무시험을 하지않은 굴곡시험편에 대하여 인장시험을 하고 인장강도 또는 연신율을 구하여 이들을 각각 비교하여 응력부식균열감수성을 측정하는 단계를 포함하여 구성되는 내후성 강재의 응력부식균열감수성 측정방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명의 수치한정이유 및 제반조건을 상세히 설명한다.

굴곡시험에 의한 응력변형곡선중에서 원점에서부터 최대응력점까지의 변형에 대한 20% 이하의 지점에서 굴곡하면 부식실험후 응력에 의한 충분한 취화도가 나타나지 않으며, 80% 이상에서는 과중한 응력부하에 의해서 지나친 소성변형 때문에 응력부식균열을 완전하게 표출시키지 못하므로 굴곡범위는 응력-변형곡선의 원점에서부터 최대응력점까지의 변형에 대한 20-80%의 범위내로 제한하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 굴곡된 시험편은 ASTM B117-73 또는 JIS Z 2371에 의해서 염수분무시험을 행하여 취화시키며, 보다 바람직하게는, 염수농도를 4-6%범위로 조제하여 35℃에서 0.7-1.8Kgf/㎟의 공기압력으로 염수분무시험(JIS Z 2371)을 하여 30일이상 취화시키는 것인데, 그 이유는 30일이 경과하면 내후성 강재의 응력부식균열이 충분히 취화되기 때문이다.

본 발명에 있어서 염수분무시험조건은 내후성 강재의 응력부식균열의 취화정도에 근거하여 제한되는 것으로서 내후성 강재의 응력부식균열의 충분한 취화가 얻어진다면, 염수분무시험기간은 가능하면 짧은 것이 바람직하다고 할 수 있다.

따라서, 본 발명의 시험방법은 종래의 일정하중시험방법이나 저속도일정변형시험방법보다 실험이 간단하고 대량으로 신속하게 측정할 수 있는 방법이다. 또한, 염수분무시험에 의해서 취화된 시험편에 있어서 부분적으로 균열이 발생하였거나, 미소균열(micro-crack), 브리스트(blister), 기공(vodd), 점부식(pitting)으로 기인되는 응력부식균열의 감수성에 대한 종합적인 평가기준은 가시적인 균열의 합계만으로 측정하는 것은 불가능하기 때문에 부식된 굴곡시험편을 다시 역으로 굴곡을 하여 평행하게 한 다음, 인장시험을 하여서 이때의 인장강도, 연신율 혹은 항복강도의 값을 구한다.

응력부식균열시험한 후의 시험편에 대하여 구해진 인장강도, 연신율, 혹은 항복강도의 값들은 부식시험하기전의 인장강도, 연신율 혹은 항복강도의 값과 비교를 하면 응력부식균열에 의한 취화도를 정확하게 파악할 수 있기 때문에 파괴사고가 나지않는 강도 및 연신율이 높은 재료를 선정할 수 있다.

물론, 상기와 같은 염수분무시험을 한 굴곡시험편과 염수분무시험을 하지않은 굴곡시험편에 대하여 인장시험을 하고 인장강도 및 연신율, 또는 인장강도, 항복강도 및 연신율의 값을 동시에 측정하고 이들 값을 각각 동시에 대비하여 응력부식균열감수성을 측정할 수 있음은 당연하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

[실시예]

하기 표 1과 같은 화학성분을 가진 강종을 제조하여 강판두께가 2.5㎜t가 되도록 열간압연한 후 내식성과 연성을 증가시키기 위해서 열처리를 하였다. 열처리는 상소둔(batch annealing)방법을 적용하였는데 이에 대한 열처리 곡선은 제1도에 나타내었다. 이후 용접인장시험편, 응력부식시험편을 제작하기 위해서 응집을 하였는데, 용접방법은 티크(TIG)용점으로 실시하였으며, 이때의 전압은 125V, 전류는 12.5A, 이송속도는 15㎝/min로 하였다.

[표 1]

상기 조건으로 용접한 시편을 폭 20㎜, 길이 120㎜되게 레이저(LASER) 용접기를 사용하여 절단하여서 용접인장, 응력부식균열시험편으로 제작하였다. 용접인장시험편은 ASTM subsize로 하였으며, 응력부색균열시험편은 용접인장시험편크기와 동일하게 하였으며, 굴곡힘을 받는 시편의 전체길이(span length)를 100㎜로 하고 깊이 6.4㎜만큼 밑으로 굴곡시켰는데, 이 굴곡 깊이는 굴곡시험에 의한 응력-변형곡선에서 원점에서부터 최대하중점까지 늘어난 전체길이의 50%에 해당하는 지점이다.

굴곡된 응력부식균열시험편을 30일간 JIS Z 2371에 의해서 NaCl 농도를 5%로 조제하여 35℃에서 1㎏/㎟의 공기압력으로 염수분무시험을 한 후에 다시 역으로 굴곡을 하여 평행되게 한 다음 인장시험을 하였으며, 이때의 인장강도를 구하여 제2도에 나타내었으며, 연신율을 구하여 제4도와 제5도에 나타내었으며, 동시에 응력부식균열시험전의 인장시험결과도 아울러 나타내었다.

그리고, 제2-5도까지의 결과를 종합적으로 하기 표 2에 나타내었다. 제2-5도에는 K 및 L 강이 나타나있지 않는데, 이는 K 및 L 강은 굴곡시험도중에 파괴되었기 때문이다. 한편, 강종 A-J강에 대해서는 인장 시험후의 파단면을 관찰하고 그 파단면을 제6도에 나타내었다.

[표 2]

상기 표 2및 제2-5도에 나타난 바와같이, 응력부식균열시험후의 인장강도는 합금원소에 따라서 뚜렷한 감소경향을 나타내고 있음을 알 수 있으며, K강과 L강은 굴곡시험도중에 파괴되었기 때문에, 굴곡깊이를 2.0㎜로 하여 굴곡을 하고 난 다음 염수분무시험을 한 후에, 시험편을 평행하게 하기 위해서 역으로 굴곡할 때에 균열의 발생이 확인되었는데, 이는 K강과 L강이 응력부식균열감수성에 가장 민감함을 나타내는 것이다. 합금원소첨가에 대한 인장강도의 취화율이 높은 순서는 다음과 같이 나타남을 알 수 있다.

K강, L 강H강B강A강I강F강J강D강G강C강E강

또한, 합금원소첨가에 대한 연신율의 취화율이 높은 순서는 다음같이 나타남을 알 수 있다.

K강, L 강H강A강D강F강G강C강J강I강E강

상기 표 2에서 알 수 있는 바와같이, 종래의 방법은 균열의 발생유무만 관찰이 되며 균열발생이 없는 강종에서는 합금원소의 첨가에 대한 취화의 정도를 전혀 파악할 수 없는 단점이 있는 반면, 본 발명에 의한 방법에서는 미량원소의 첨가에 의한 뚜렷한 취화율을 나타내고 있어 정량적인 평가가 용이하다는 장점이 있다.

또한, 제6도 나타난 바와같이, K강과 L 강을 제외하고는 인장시험전에 파단된 모든 강종들은 전체의 두께범위에 걸쳐서 완전한 취성파단면을 나타내고 있음을 알 수 있는데, 이중에서 특히 응력부식균열감수성이 높은 B강은 입계취성을 나타내고 있으며 H강은 조대한 페라이트결정립을 갖는 파단면을 나타내고 있다. 또한 D강은 강표면에 점부식을 가장 심하게 나타내고 있으나, 응력부식균열의 감수성에 대해서는 직접적인 영향을 미치지는 않는데, 이러한 파단면의 관찰에서 알 수 있듯이 시험한 모든 강종들은 완전한 취성파단면을 나타내고 있기 때문에 응력부식균열의 감수성이 완전한 취화에 의해서 일어났음을 알 수 있으므로, 본 발명에 의한 방법은 응력부식균열의 평가방법으로써 신빙성이 있음을 증명할 수가 있었다.

상술한 바와같이, 본 발명은 종래의 첫째방법인 U밴드 테스트방법보다 정확하고 정량적이며, 둘째와 셋째방법인 일정하중시험방법과 저속도일정변형시험방법 보다도 작업이 간단하고 많은 시험편을 동시에 침지할 수 있고 짧은 시간내에 굴곡시험과 인장시험을 동시에 마칠수가 있어서 신속정확하게 대량으로 끝낼수 있는 효과가 있으며, 넷째방법인 1, 2차 굴곡시험방법에 비해서 침지시간이 조금 더 걸리지만 인장강도, 항복강도 및 연신율에 대한 취상의 정도를 정확하게 파악할 수가 있어서 파괴사고가 나지않는 최대한의 강도 및 연신율의 범위를 파악할 수 있는 효과가 있는 것으로서, 이를 더욱 구체적으로 나타내면 하기 표 3과 같다.

[표 3]

Claims (1)

1. 동일크기의 내후성 강재 시험편을 제작하는 단계 ; 응력-변형곡선의 원점에서 부터 최대응력점까지의 변형에 대한 20-80%의 변형범위내에서 상기 시험편을 굴곡시험하는 단계 ; 상기와 같이 굴곡시험한 굴곡 시험편 대하여 JIS Z 2371 또는 ASTM B 117-78에 의해 30일이상 염수분무시험을 행하는 단계 ; 및 상기와 같은 염수분무시험을 한 굴곡시험편과 염수분무시험을 하지않은 굴곡시험편에 대하여 인장시험을 하고 인장강도 또는 연신율을 구하여 이들을 각각 비교하여 응력부식균열감수성을 측정하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 내후성 강재의 응력부식균열감수성을 측정하는 방법.