액화헬륨 환경에서 316L 스테인리스강 용접부의 충격 거동에 미치는 수소 및 δ-페라이트의 영향

국문 초록 (Abstract)

액화헬륨 환경에서 316L 스테인리스강 용접부의 충격 거동에 미치는 수소 및 δ-페라이트의 영향 조선해양플랜트공학과 김 나 훈 지도교수 신 용 택 최근 액화수소 및 액화천연가스（LNG） 저장·운송 기술의 발전에 따 라 극저온 환경에서 사용되는 오스테나이트계 스테인리스강의 기계적 특 성에 대한 관심이 증가하고 있다. 특히 용접부는 모재와 상이한 미세조 직을 형성하며, 수소 유입과 δ-ferrite의 존재는 극저온 충격거동에 영 향을 미칠 수 있는 주요 인자로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 316L 스테인리스강 용접부를 대상으로 극저온 환경에서의 충격거동에 미치는 수소 및 δ-ferrite의 영향을 평가하였다. 시험편은 316L 모재와 TIG 공정을 이용하여 제작한 용접부를 대상 으로 하였으며, 용접재 조성 및 입열량 조건에 따라 A, B, C 및 D 시편 으로 구분하였다. 또한 전기화학적 방법을 이용하여 수소 장입을 수행하 였으며, 수소 장입 전후의 충격특성을 비교하였다. 충격시험은 -60℃, -196℃ 및 액화헬륨 온도인 -269℃에서 수행하였으며, δ-ferrite 분 율 측정과 주사전자현미경（SEM）을 이용한 파면 분석을 병행하였다. 시험 결과 모든 시편에서 시험온도가 감소함에 따라 충격흡수에너지 가 감소하는 경향을 나타냈다. 수소 장입 후에는 충격에너지가 전반적으 로 감소하였으나 감소폭은 제한적으로 나타났다. δ-ferrite 분율 측정 결과 B 시편이 가장 낮은 δ-ferrite 분율을 나타냈음에도 불구하고 가 장 우수한 충격인성을 보였다. 반면 동일한 용접재를 사용한 A, C 및 D 시편에서는 입열량 증가에 따라 충격인성이 감소하는 경향이 관찰되었 다. 이러한 결과는 극저온 충격거동이 δ-ferrite 분율에 의해서만 결정 되지 않으며, 용접부의 미세조직 특성과 균열 전파 거동이 함께 영향을 미침을 시사한다. SEM 파면 분석 결과 모든 시편에서 딤플（dimple）, tear ridge 및 microvoid coalescence가 관찰되어 연성파괴가 지배적인 것으로 확인 되었다. 또한 수소 장입 후에도 파괴기구의 뚜렷한 변화는 관찰되지 않 았으며, 본 연구의 수소 장입 조건에서는 연성파괴에서 취성파괴로의 전 이를 유발하지 않는 것으로 판단되었다. 따라서 316L 스테인리스강 용접부의 극저온 충격거동은 수소, δ -ferrite 분율 및 용접부 미세조직의 복합적인 영향을 받으며, 특히 δ -ferrite 분율 단독보다는 용접재 조성 및 미세조직 특성이 충격인성에 더욱 중요한 영향을 미치는 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론
• 1. 연구배경 1
• 2. 연구목적 2
• Ⅱ. 이론적 배경
• 1. 극저온에서의 충격거동 3
• 2. 수소취화 (Hydrogen Embrittlement) 3
• 3. δ-ferrite의 역할 5
• 4. 용접 입열량의 영향 6
• 5. 기존 충격시험의 한계 및 극저온 시험의 필요성 6
• Ⅲ. 실험 방법
• 1. 사용모재 및 용접시편 8
• 2. 수소 장입 조건 10
• 3. δ-ferrite 분율 측정 11
• 4. 충격시험 조건 11
• Ⅳ. 실험 결과
• 1. 충격시험 결과 14
• 2. 용접 입열량의 영향 17
• 3. 수소의 영향 19
• 3.1 수소 측정 결과 19
• 3.2 수소 유무에 따른 충격인성 변화 21
• 4. δ-ferrite의 영향 22
• 4.1 용접부 미세조직 22
• 4.2 δ-ferrite 측정 결과 28
• 4.3 δ-ferrite 분율의 영향 34
• 5. 파면 분석 (Fractography Analysis) 36
• 5.1 모재 파면 분석 36
• 5.2 용접시편 파면 분석 37
• 5.3 수소장입된 용접시편 파면 분석 38
• Ⅴ. 결론
• 참고문헌 41
• 기호 및 약어 설명 44
• Abstract 45