나노압입시험을 이용한 구조용 강재의 기계적 특성 연구

Abstract

고성능 API X100파이프라인 강재(high performance pipeline steel)에 대하여 나노압입시험을 수행하여 강재의 유동특성 및 경도특성을 분석하였다. 본 연구에 사용된 강재의 미세조직은 페라이트와 베이나이트의 두 가지 상으로 이루어 진 이상조직 강(dual-phase steel)으로, 550nm와 3.3 ㎛의 두 개의 서로 다른 반지름을 가진 구형압입자를 사용한 나노압입시험을 통해 응력-변형률 곡선을 예측하였고, 경도 측정의 경우 베르코비치 압입자를 사용하였다. 먼저, 구형압입시험의 경우, 기존에 잘 알려져 있는 압입 응력-변형률 이론에 따라 압입 경도 값을 압입크기효과를 고려해준 거시적 응력-변형률 관계로 변환하였으며, 최종적으로 예측된 응력-변형률 곡선을 인장시험에서 구한 응력-변형률 곡선과 비교, 분석하였다. 또한, 각 상의 나노 경도 값을 측정함으로써 강재의 거시적인 경도 값을 예측하고 이를 실험적으로 측정한 경도 값과 비교, 분석하였으며, 최종적으로 강재의 기계적 특성(유동특성, 경도특성)을 예측하는데 대한 혼합률 법칙의 적용 가능성에 대하여 분석하였다. 그리고, 강도가 다른 세 가지의 파이프라인 강재(API X65, X70, X100)에 수소주입 실험을 수행하기 전과 후에 대하여 각각 나노압입시험, 인장시험, 충격시험을 수행함으로써 파이프 라인 강재의 경도 및 변형특성에 미치는 수소의 영향에 대하여 체계적으로 분석하였다.; An attempt is made to predict the macroscopic plastic flow behavior and hardness characteristics of ultra-high performance pipeline steel consisting of dual phase (ferrite and bainite) by performing nanoindentation experiments on each constituent micro-phase with two spherical indenters having different radii (550 nm and 3.3 ㎛) and typical Berkovich indenter. Based on the well-known concepts of indentation stress-strain and hardness, the nanoindentation hardness values are analyzed in case of Berkovich indenter and converted to macroscopic strengths in consideration of the size effect in case of spherical indenter. It was critically evaluated whether the 'rule-of-mixture'is applicable to estimate the flow properties and hardness characteristics of the dual-phase steel using the properties of the micro-phases. Additionally influence of hydrogen on the mechanical behavior of various pipeline steels were examined by performing the nanoindentation test (together with tensile test, impact test) on hydrogen-charged samples.