Particle coarsening kinetics and microstructure evolution in the weld heat affected zone of low alloyed steels during thermal and thermo-mechanical cycling

Abstract

저합금강 용접 열영향부에서의 연속 열/응력 사이클에 따른 석출물 거동 및 미세조직 변화에 대해서 이론적 고찰 및 실험을 통해 연구하였다. 실험을 위해서 석출물의 효과 및 거동 관찰을 위해서 탄질화물 형성 원소인 Ti와 Nb를 함유한 HSLA강을 이용하였으며, 용접 열/응력 사이클은 Dilatometer와 Gleeble을 이용하여 재현하였다. 석출물 조대화 예측 모델은 고전적인 LSW (Lifshitz, Slyovoz and Wagner) 방정식을 바탕으로 임계석출물 크기 (Critical particle size)를 새로이 고려하여 작성하였다. 석출물 조대화 예측을 위한 기존의 접근 방식은 LSW 방정식에 평균 석출물의 크기를 적용함으로써 이루어졌다. 하지만 이러한 접근 방식은 LSW 방정식의 기본 가정과는 달리 석출물 크기에 관계없이 모재 내에 존재하는 모든 석출물의 성장만을 취급하고 있다. 하지만 Gibbs-Thomson 방정식에 따르면 석출물의 조대화는 상대적으로 작은 입자의 용해반응을 수반하고 있으며, 이에 본 연구에서는 석출물 조대화 대한 개개 입자의 거동을 고려하기 위해서 임계석출물 크기를 정의하고 이를 제안하였다. 개발한 모델을 이용하여 용접 열영향부에서의 TiN과 (Ti, Nb)(C, N) 석출물의 거동을 예측하였으며, 실험 결과와의 비교를 통해 모델의 신뢰성을 확인하였다. 또한 용접 열영향부에서의 미세조직 변화에 대한 석출물 조대화의 영향을 연구하였으며, Ti와 Nb의 첨가에 따른 영향을 분석하였다. 석출물을 포함하는 저합금강의 등온 결정립 성장 모델을 작성하였다. 입방형의 TiN, (Ti, Nb)(C, N) 석출물에 의한 결정립 성장 억제효과를 고려하기 위해서, 등온 결정립 성장 실험을 통해서 구형의 석출물에 기반을 둔 고전적인 Zener 상수를 수정하였다. 오스테나이트 결정립 성장을 위한 결정립계의 이동도는 온도와 합금원소의 함량에 따른 함수로 나타내었다. 개발한 모델을 이용하여 용접 열영향부에서의 결정립 성장 거동을 예측하였으며, 실험 결과와의 비교를 통해 모델의 신뢰성을 확인하였다. 한편, 결정립 성장 모델과 임계석출물 크기를 이용하여 등온에서의 최대 결정립크기 (Limiting austenite grain size) 예측을 위한 모델을 작성하였다. 한편, 용접 열영향부에서의 석출물 거동 및 미세조직 변화에 대한 응력의 영향을 확인하기 위하여, Thermo-mechanical 사이클을 갖는 용접 열영향부를 재현하였다. 실험 결과, 석출물의 석출 및 조대화 거동은 응력을 가해줌에 따라서 촉진되었으며 이러한 경향은 인장 시에 비해 압축응력을 가해준 경우에 보다 뚜렷하였다. 또한 가해준 응력에 따라 냉각 중에 마르텐사이트 변태를 위한 핵생성 사이트 수가 증가하였으며, 이에 따라 마르텐사이트 lath 및 packet의 크기가 감소하였다. 이러한 석출물거동 및 미세조직 변화에 따라 용접 열영향부의 기계적 성질이 변화하였으며, 이를 마이크로 비커스 경도계 및 나노인덴테이션을 이용하여 측정하였다.; The effects of thermal and thermo-mechanical cycling on the particle kinetics and microstructure evolution in the weld heat affected zone (HAZ) of microalloyed steels were investigated based on the experimental works and classical theory. In this study, microalloyed steels containing Ti and Ti+Nb were used. Thermal and thermo-mechanical cycles were simulated by the Dilatometer and Gleeble simulator. Metallurgical model for the particle coarsening was developed. The proposed model is based on the classical Lifshitz, Slyovoz and Wagner (LSW) theory and suggests the concept of critical particle size. Precious approaches for the calculation of particle coarsening kinetics have been carried out using the LSW theory and only considered continuous growth of all particles regardless of particle size. However, by the Gibbs-Thomson effect, particle coarsening occurs with dissolution of small particles. In order to consider the individual particle behavior on the particle coarsening kinetics, this study proposed the concept of critical particle size and derived it theoretically. The proposed particle coarsening model was applied to study the behavior of TiN and (Ti, Nb)(C, N) particle in the weld HAZ of a microalloyed steel during isothermal and continuous thermal cycles. The reliability of proposed model was confirmed by experiments and the predicted particle size distributions from the proposed model were in good agreement with the experimental results. In addition, the effect of particle coarsening on the microstructure evolution in the weld HAZ was also investigated and then the effect of addition of Ti and Nb microalloying element was discussed. The isothermal austenite grain growth kinetics of a microalloyed steels in the presence of growing particles was developed. To consider the pinning effect by the cuboidal TiN and (Ti, Nb)(C, N) particles on the austenite grain growth, the Zener coefficient (Kz) was measured from the isothermal grain growth test. Grain boundary mobility for the austenite grain growth was expressed as a function of temperature and alloying elements. The predicted austenite grain growth results from the proposed model were in good agreement with the experimental data. In addition, from combining with the additivity rule, a general austenite grain growth model during continuous welding thermal cycle was developed. Meanwhile, prediction model for the limiting austenite grain size of microalloyed steel in the presence of growing particles was established theoretically from isothermal austenite grain growth model and the concept of critical particle size. Limiting grain sizes predicted by proposed model correlated with the experimental results. Meanwhile, to study the effect of deformation (stress and strain) on the particle kinetics and microstructure evolution during thermo-mechanical cycles in the weld HAZ, isothermal and continuous thermo-mechanical cycles for a Ti+Nb containing steel the were simulated. Results showed that the precipitation and coarsening kinetics were enhanced by deformation under both compressive and tensile stress and then the compressive stress was found to be more effective as compared to tensile stress. In addition, it was found that applied stress accelerated the nucleation of martensite in the weld HAZ and thus the size of lath and packet of the lath martensite decreased. Finally, the mechanical property of the lath martensite was changed by applied stress, which was maybe due to the change of microstructure and particle distribution.