TMCP 高張力鋼 熔接部의 接合 및 疲勞特性에 關한 硏究 = (A)study on the Joining and fatigue characteristics of welds for TMCP high strength steels

국문 초록 (Abstract)

TMCP 高張力鋼의 接合 및 疲勞 特性을 究明하기 위해, 熔接性 評價와 疲勞 擧動 및 疲勞 龜裂 傳播 特性을 고찰하였다. 동시에 Quenched-Tempered 鋼 (Q 鋼) 및 Normalized 鋼 (N 鋼)을 비교재로 선택하여 시험하였다.
熔接性 評價로서는 熔接 硬化性 시험 및 低溫 龜裂 感受性 시험, 連績 冷却 變態 特性 및 衝擊 試驗을 실시 하였다.
疲勞 거동에 대해서는 HCF(High Cycle Fatigue) 및 LCF(Low Cycle Fatigue) 시험을 행한 후 미세조직 변화와 연결하여 고찰하였다. 또한 熔接 入熱量, 微細組織 및 ΔK(의 變化에 따른 疲勞 龜裂 傳播 特性을 고찰해 보았다.
本 硏究로 부터 얻어진 結果는 다음과 같다.
1. 熔接 硬化性은 母材의 Ceq%의 影響을 가장 많이 받는 것으로 나타났다.
2. 熔接 龜裂 防止를 위한 豫熱 溫度는 0℃ 이하이었고, 低溫 龜裂에 대한 抵抗性이 우수하였다.
3. 大入熱 熔接에 의한 熱影響部의 軟化 現象 억제에 필요한 最低 Ceq%의 범위는 0.33∼0.34 % 이었다.
4. 熱影響部의 幅은 180KJ/cm의 大入熱 熔接의 경우가 80KJ/cm의 小入熱 熔接에 비해 2배 가량 넓었다.
5. 本 實驗에 사용한 TMCP 鋼에 대한 熱影響部의 軟化 現象은 나타나지 않았다.
6. 熔接 熱影響部에 나타나는 Pearlite 組織의 경우 炭化物과 Ferrite의 界面이 轉位의 Source 및 Sink로 되어 Cross Slip 發生을 容易하게 하므로, 疲勞 龜裂은 Dispersed Pearlite 組織에서 보다 쉽게 發生하였다.
7. TMCP 鋼의 疲勞强度比(σ_w/σ_u)는 0.65∼0.71이었고, 從來材에서 얻어지는 Data 範圍의 上限에 가까운 값이다.
8. TMCP 鋼의 結晶立 微細化는 機械的性質 및 High Cycle 疲勞 强度는 향상시켰지만, Low Cycle 疲勞 特性에는 큰 影響을 주지 않는다고 思料되었다.
9. 大入熱 熔接 適用에 따른 TMCP 鋼 용접부의 疲勞 鎭度 特性은 감소하지 않았으나, Low Cycle 피로 시험에서 Strain 振幅이 큰 영역에서의 LCF 壽命은 상당히 감소하였다.
10. 熱處理 高張力鋼의 경우 용접부의 각 부위중 溶着金屬의 疲勞 龜裂 傳播 速度가 가장 빠르며, 이때의 da/dN 값은 Q 鋼의 경우는 母材보다 낮고,N 鋼의 경우는 모재에서와 비슷한 水準을 나타내었다.
11. Q 鋼 熱影響部의 軟化 領城은 疲勞 龜裂 傳播 速度를 증가시키지 않았으며, N 鋼의 硬化 領域은 모재와 비슷한 傳播 特性을 나타내었다.
12. Q 鋼은 熔接入熱量이 40KJ/cm 일때,N 鋼은 60KJ/cm일때 가장 우수한 疲勞 龜裂 傳播 特性올 나타내었으며, 이는 熔接部 硬度 分布의 偏差가 적었기 때문이었다.
13. TMCP 鋼의 경우 Ferrite와 Bainite 주체의 조직으로 되어있는 강의 疲勞 龜裂 傳播 特性은 Ferrite 및 Pearlite와 Bainite 조직으로 되어 있는 강 보다 우수하였으며, 入熱量 180KJ/cm의 大入熱熔接 適用에 따른 疲勞 龜裂 傳播 特性은 감소하지 않았다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

To investigate the joining and fatigue characteristics of TMCP high strength steels, the evaluation of weldability, fatigue behavior as well as fatigue crack propagation pheno menon of TMCP steel have been made.
Also for comparison, quenched and tempered steel (steel Q) and normalized steel (steel N) have been selected and tested.
The weldability evaluation includes hardenability test, cold cracking susceptibility test, continuous cooling transformation as well as impact test.
For the fatigue behavior, high cycle fatigue test and low cycle fatigue test were made in connection with microstructural change.
Finally welding heat input, microstructure and stress intensity factor range(OK) were investigated for the study of fatigue crack propagation.
The results obtained from this study are as follows ;
1. The hardenability of base metal was found to be significantly dependent upon Ceq value.
2. The preheating temperature to avoid welding crack was below 0℃. Thus, TMCP steel is superior to cold cracking susceptibility.
3. The minimum range of Ceq(%) for retarding of HAZ softening by high heat input welding was from 0.33 to 0.34.
4. High heat input(180KJ/cm) welding resulted in the width of HAZ region twice as large as that of low heat input(80KJ/cm).
5. Softening of HAZ was hardly observed in TMCP steel.
6. In case of pearlite microstructure, interface of cementite and ferrite acts as a source and sink of dislocation, and cross-slip occurred easily. Thus, fatigue crack is easily initiated in dispersed pearlite.
7. Fatigue strength ratio (σ_w /σ_u)of TMCP steels was in range from 0.65 to 0.71, which is close to the upper limit of the scattering band of the conventional steels.
8. Fine microstructure of TMCP steel improved mechanical and fatigue strength in high cycle fatigue condition, but it did not improve the low cycle fatigue properties.
9. High heat input welding did not degrade the fatigue strength properties of TMCP steel welds. However, in case of low cycle fatigue with large strain amplitude, the number of cycles to failure could be decreased significantly.
10. The highest FCPR was observed in the weld metal among welds. FCPR in weld metal was lower than that of base metal in case of steel Q while it was almost same level in case of steel N.
11. Softened region of HAZ in steel Q did not increase the FCPR and the FCPR in hardened region of HAZ of steel N had same values to base metal.
12. steel Q welded with 40KJ/cm heat input showed the lowest FCPR due to the small dispersion of hardness distribution, while steel N showed the lowest FCPR with 60KJ/cm heat input.
13. In case of TMCP steels, fatigue crack propagation resistance of high heat input weld(180KJ/cm) was not impaired as compared to low heat input welds.
The microstructure composed of fine ferrite and bainite was more resistant to the fatigue crack propagation than ferrite +pearlite+bainite microstructure.

목차 (Table of Contents)

• 목차
• 要旨
• Nomenclature
• 第1章 序論 = 1
• 1.1. 硏究의 必要性 = 1
• 1.2. TMCP 鋼의 特性 = 3
• 第2章 50kgf/㎟級 TMCP 鋼의 熔接性 = 14
• 2.1. 序論 = 14
• 2.2. 理論的 背景 = 14
• 2.2.1. TMCP 鋼의 熔接性 = 14
• 2.2.2. TMCP 鋼의 熔接部 引張强度에 미치는 Ceq의 影響 = 15
• 2.3. 實驗 方法 = 24
• 2.4. 實驗結果 및 考察 = 30
• 2.4.1. 實驗材의 機構的性質 및 組織 = 30
• 2.4.2. 熔接 硬化性 = 33
• 2.4.3. 低溫 龜裂 感受性 = 37
• 2.4.4. 熔接部 組織의 連續 冷却 變態 特性 = 37
• 2.4.5. 熔接部 引張 및 衝擊特性 = 45
• 2.5. 結論 = 64
• 第3章 TMCP 鋼 熔接部의 疲勞 特性 = 66
• 3.1. 序論 = 66
• 3.2. 理論的 背景 = 67
• 3.2.1. Strain 制御 試驗意義의 = 67
• 3.2.2. 材料力學的 觀點에서의 疲勞損傷 = 70
• 3.2.3. 疲勞 龜裂의 發生機構 = 73
• 3.2.4. 治金學的 觀點에서의 熔接部 疲勞 特性 = 74
• 3.3. 實驗 方法 = 76
• 3.4. 實驗結果 및 考察 = 79
• 3.4.1. 母材 및 熔接部의 微細組織 特性 = 79
• 3.4.2. 試驗材의 機械的性質 = 95
• 3.4.3. TMCP 鋼의 HCF 特性 = 97
• 3.4.4. TMCP 鋼의 LCF 特性 = 102
• 3.5. 結論 = 115
• 第4章 TMCP 鋼 熔接部의 疲勞 龜裂 傳播 特性 = 117
• 4.1. 序論 = 117
• 4.2. 理論的 背景 = 118
• 4.2.1. 疲勞 龜裂 傳播 擧動 = 118
• 4.2.2. 疲勞 龜裂 傳播 側面에서의 熔接部 疲勞 破壞 = 121
• 4.3. 實驗 方法 = 129
• 4.4. 實驗結果 및 考察 = 133
• 4.4.1. 熱處理 高張力鋼의 機械的性質 및 熔接部 組織 特性 = 133
• 4.4.2. 熱處理 高張力鋼 熔接部 疲勞 龜裂 傳播 特性 = 150
• 4.4.3. TMCP 鋼의 疲勞 龜裂 傳播 特性 = 163
• 4.5. 結論 = 168
• 第5章 綜合 結論 = 171
• 參考 文獻 = 177
• Abstract = 182