강소성가공에 의해 제조된 이상 조직 강의 미세조직 및 기계적 특성 연구

Abstract

금속재료의 결정립 미세화는 강도와 인성을 동시에 향상 시킬 뿐 아니라 Debye 온도, Curie 온도 및 damping 등 여러 가지 물리적 성질의 향상과 상온인장 및 초소성 등 기계적 성질의 향상을 가져온다. 따라서 단면적 감소 없이 금속재료에 심한 소성 변형(severe plastic deformation: SPD)을 부여함으로서 열처리 및 조성의 변화 없이 ingot 재료에서 결정립을 미세화 할 수 있는 획기적인 방법들이 고안되어 왔다. 그중에서 Equal Channel Angular Pressing(ECAP)으로 알려진 강소성 가공법은 서 결정립을 submicrometer 또는 nanometer 크기까지 미세화하여 강도와 인성을 동시에 향상시킬 수 있다. 특히 강도는 기존의 약 2배 이상으로 향상되며 연신율은 저하되지 않는 특징을 나타낸다. 최근까지 알루미늄 합금과 구리 등 비교적 가공이 용이한 재료들에 ECAP 가공법이 적용되어, submicrometer 크기를 갖는 초미세 결정립이 효과적으로 얻어질 수 있다는 것이 실험적으로 입증되었다. 그러나 대표적 구조재인 강에 대한 연구는 아직 국내외적으로 미흡한 실정이었다. 따라서 본 연구에서는 저탄소강에서 ECAP 가공법을 적용하여 결정립을 초미세화 시킴으로 강도를 크게 향상시킬 수 있었으며, 열처리를 통하여 다양한 미세조직을 갖는 재료를 얻을 수 있었다. 그러나 대부분의 초미세립 강에서 나타나는 낮은 가공경화능은 공업적 실용화에 커다란 문제점으로 여겨지고 있다. 따라서 microalloying 원소인 V을 첨가하여 가공 중에 미세한 석출물을 형성시켜 이를 해결하고자 하였다. 즉 가공 중 형성된 미세한 V3C4 석출물은 결정립 내에서 전위를 효과적으로 고착시켜 현저한 가공경화 현상이 일어나는 항복비 0.85 이하의 고강도 초미세립 저탄소강을 제조 할 수 있었다. 그러나 이전의 결과에서는 가공경화능을 향상시키기 위해서 많은 양의 V을 첨가해야 하는 한계를 가지고 있으며 이는 처음의 연구 목적인 합금원소의 첨가 없이 기계적 특성을 향상시키고자 하는 연구목적을 벗어나는 한계를 갖게 되었다. 따라서 ECAP 가공과 기존의 dual-phase 의 특성을 이용하여 합금원소의 첨가를 최소화하여 기존의 한계를 극복하고자 하였고, 초미세립 dual-phase 강은 초기조직 제어를 통해 2가지 공정으로 제조하였다. 첫째, 초기조직을 일반적인 페라이트와 펄라이트에서 ECAP 가공 후 영역으로부터의 급랭을 통해 페라이트와 마르텐사이트의 조직을 갖는 dual-phase 강을 제조하였다. 둘째, 고온에서 열처리 후 급랭을 통하여 마르텐사이트의 조직을 얻고, 이를 ECAP 가공으로 미세한 마르텐사이트를 형성시켰으며, 영역으로부터 급랭을 통해 페라이트와 마르텐사이트 조직의 dual-phase 강을 제조하였다. ECAP 가공 후 이러한 초미세립 dual-phase 강은 고강도, 고연성을 나타내며 낮은 항복비를 갖는 연속 항복이 일어난다. 특히 전자의 공정으로 제조된 초미세립 dual-phase 강보다 후자의 공정으로 제조된 초미세립 dual-phase 강에서 보다 우수한 기계적 특성이 나타났으며, 미세조직에 있어서도 보다 균일하게 분포한 미세한 마르텐사이트를 관찰할 수 있었다. 이와 같은 방법으로 보다 더 높은 강도와 더 낮은 항복비를 갖는 초미세립 dual-phase 강을 제조하였고, 각각의 변수를 고려하여 미세조직과 기계적 특성에 미치는 영향을 고찰하였다.; Ultrafine grained (UFG) low carbon steels were fabricated by equal channel angular pressing (ECAP) and its microstructures and tensile properties were examined. The martensite grain size refinement in the low carbon steels was achieved by grain subdivision due to the operation of the multi slip systems of <111>{110}, <111>{112} and <111>{123}. A comparison between the martensite grain size of the UFG low carbon steels and the ferrite grain size of the UFG low carbon steels formed during equal channel angular pressing (ECAP) revealed that the cell formation was unlikely to occur in the present UFG steel, indicating that the low strain hardening rate of the UFG steel was attributed to the two factors: ultrafine grain size comparable to the dislocation mean free length, and initial microstructure. Firstly the feasibility enhancing the strain hardening capability of the UFG low carbon steels was also explored by comparing the microstructure and stress-strain curve of the two steels, one without vanadium and the other containing a relatively large amount of vanadium. Secondly Strain hardening behavior of ultra-fine grained (UFG) dual phase (DP) steels via equal channel angular (ECA) pressing and subsequent intercritical annealing followed by water quenching was investigated at ambient temperature. A series of tensile tests were carried out for four distinct DP steels, i.e., CG-DP, UFG-DP, UFG-DPV and UFG-DPV* steels. In contrast to conventional UFG steels with a lack of strain hardening, UFG-DPV steel showed significant strain hardening rate, resulting from uniform distribution of island-typed martensite as well as grain refinement of each constituent phase throughout the microstructure. Also, UFG-DPV* steel containing 0.06% of vanadium exhibited the good combination of high strength and sufficient strain hardening more than UFG-DPV, because initial microstructure of that was consisted of the fine martensite through equal channel angular pressing (ECAP). Strain hardening behavior of these steels was discussed in relation to modified C-Janalysis based on Swift relationship.