저온의 성질
강은 온도가 저하할수록 그 항복점과 인장강도는 증가하지만 연신율이나 교축은 -160℃ 부근에서 갑자기 저하한다. 그 특성은 재료에 따라서 큰 차이가 있고, 특히 저온용 강재라 하는 것은 우수한 저온특성을 가지고 있다. 또 피로강도는 저온으로 될수록 증가한다.
가. 저온취성에 관한 일반적 주의사항
① 용접에 의해 구성되는 구조물은 열처리 등에 의해 잔류응력을 제거하는 것이 바람직하다.
② 판 두께 또는 판 폭이 다른 부재를 용접하는 경우는 1/5정도의 테이퍼를 줄 것.
③ 응력집중의 원인으로 되는 급격한 단면변화, 노치 등은 없게 한다.
④ 부식의 발생을 촉진하는 균열, 틈새, 요철의 곳, 가늘고 긴 흠은 없게 한다.
⑤ 강재를 절단하여 사용할 때, 절단면 거칠기가 0.5mm 이상일 때는 그라인더 다듬질을 한다.
⑥ 넓은 판에 좁은 판을 붙이는 경우 넓은 판의 종단에서 좁은 판의 종단까지의 거리는 40mm
이상일 것.
⑦ 앞면 용접의 비드는 다리길이가 2 : 2.5 정도의 부등각 용접을 하는 것이 바람직하다.
⑧ 단속용접, 리벳이음, 조립구멍의 용접점 등은 바람직하지 않다.
나. 저온취성파괴에 미치는 각종 요인
저온취성 파괴의 발생을 촉진하는 요인은 온도의 저하, 강재의 저온특성, 예리한 노치를 가
진 것, 노치부에 있어서의 소성의 소멸, 인장잔류응력의 존재, 부하특성의 영향 등이다.
구조물에 예리한 노치와 인장잔류응력이 존재하는 경우 저온취성의 발생 경향은 특히 현저
하며 부하특성에 따라서도 상당히 영향을 받는다.
모재 및 용접부의 충격치는 온도의 저하와 함께 저하하고, 그것에 따라 파손빈도는 상승하고
있다.
또한 충격치는 열영향부가 가장 낮고, 용착금속은 이에 관하여 모재보다 낮게 된다.
다. 강판의 성질과 저온취성
1) 제강법, 열처리 조건의 영향
강재는 림드강→ 세미킬드강→ 킬드강의 순으로 저온인성은 양호하게 된다. 또 담금질 뜨임,
불림 등의 열처리에 의해 조직, 결정입도가 개선되어 저온특성이 양호하게 되며, 특히 담금
질 뜨임이 가장 효과가 크다.
저온에 있어서의 상자형 용접구조물 굽힘파단시험 및 용접시험편의 대형 아이조드 충격시험
결과에 의하면 SB41재는 -30℃에서 상당한 취성파단이 발생하지만, SWS41재는 -30℃까지는
취성파단의 발생확률은 낮은 것을 알 수 있다.
2) 판 두께와 크기의 영향
강판은 판 두께와 크기가 증가할수록 구속영향이 크게 되고 저온취성이 발생하기 쉽게 된다.
즉 판 두께가 증가하면 제조시의 압연효과, 열처리효과가 저하하고, 사용할 때에 있어서는
부하에 의한 3축 응력의 영향이 증가하기 때문에 저온취성이 발생하기 쉽게 된다. 특히 판 두
께가 14mm를 초과하게 되면서부터 그 영향은 급속히 크게 되기 때문에 저온용 차의 설계에
있어서는 사용온도, 발생응력 등 관계 제원을 대조해서 재질의 선정을 할 필요가 있다.
라. 잔류응력과 저온취성
1) 잔류응력의 저온취성에 미치는 영향과 응력제거 풀림의 효과
일반적으로 용접부에는 항복응력에 상당하는 정도의 인장잔류응력이 존재하는 때가 많다.
저온에 있어서 재료의 소성변형능력이 저하하여 있는 상태일 때에 외력이 가해질 경우, 그
응력은 용접잔류응력에 가산되어 저온취성의 발생 및 전파를 일으키게 하는 경향이 있기 때
문에 중요한 용접구조물에서는 응력제거 풀림처리 및 기타의 적절한 방법에 의해 이들 잔류
응력을 제거하여 놓을 필요가 있다.
응력제거 풀림처리의 경우 가열온도를 상승시킴에 따라 응력은 제거되지만 모재 재질의 변
질과 구조물의 비틀림 등을 고려하지 않으면 안되는 경우가 있어 보통 550 ~ 650℃가 적당하
다.
2) 예하중
용접구조물에 천이온도보다 적당히 높은 온도에서 약간의 예하중을 주어 미세한 소성변형을
일으켜서 용접부에 잔존하는 높은 인장잔류응력을 이완시킴에 의해 저온에서의 취성파괴는
용접 그대로의 한계응력보다 훨씬 높은 응력까지 파괴하지 않는 것을 실험적으로 알 수 있
다.
마. 저온취성에 미치는 기타의 요인
1) 변형속도
강이 연성파괴에서 취성파괴로 이행되는 조건중 강에 응력이 가해졌을 때의 변형속도가 영
향을 미치는 것으로 판명되었으며, 하중속도를 높이고 변형속도를 크게하면 천이온도는 상승
한다.
2) 주강의 취성파괴
용접구조물의 구성재료로 강류 외에 탄소강 주강, 저합금강 주강 등을 사용한다. 탄소강 주
강 SC46은 보통 풀림처리 상태에서 사용하고 있으나, -50℃ 이하에서 사용되는 경우에는 저
온용 주강 SC46L(0.17%C 이하, Mn 08%이상)이나 담금질 풀림을 한 저합금강 주강SCMn34
(0.3·0.39%, Mn1.2`0.9%)나, SCSiMn5(0.4 ~ 0.5%C, 0.3 ~ 0.8%Si, Mn0.9 ~ 1.2%) 등을 사용하
고 있다.
3) 화학성분
화학성분은 결정계, 결정입도, 조직, 담금질성 등에 영향을 주어, 총합적으로 강재의 저온특
성에 영향을 미치는 바가 크다. 일반적으로 C,P,S는 천이온도를 현저히 상승시켜 취성파괴를
용이하게 하는 원소이며, 저온에서 사용되는 강종과 부품에서는 매우 낮게 하는 것이 바람직
하다. 천이온도의 저하에 특히 효과가 있는 원소는 Ni, Mn 등이지만, Ni은 값이 비싸므로
-40℃까지는 우선 Mn/C를 크게 한 강종을 저온용으로 이용하면 경제적으로 유리하다.
① C의 영향 : C의 증가는 강의 인성을 감소시키고, 취성상태로의 이행을 쉽게 한다.
② P와 S의 영향 : 이 원소들의 증가는 강의 충격치 및 내한성에 큰 영향을 미친다. P양이
0.04% 이하로, 또는 가능한 한 적은 것이 바람직하다.
③ Mn의 영향 : 함유량이 증가할수록 강의 천이온도가 저하한다. 가장 낮은 온도에서 가
장 높은 충격치를 보증하는 Mn의 최적량은 C, N 및 P 함유량이 적을수록
천이온도가 저하한다. 그러나 C%에 따라 변화하며, 한 연구에 의하면 0.04
~ 0.05%C에서는 Mn2.3%까지 Mn의 증가에 따라 천이온도가 저하한다.
④ Ni의 영향 : 저온취성의 개선에 가장 유효하지만, 고가이므로 다량 첨가제로 사용은 비
경제적이다.
⑤ Cr의 영향 : Cr은 충격치에 약간 악영향을 미치지만, 그 천이온도에 미치는 영향은 C
양이 0.05%일 때는 Cr양의 증가와 함께 천이온도는 저하하지만, 0.15 ~
0.3%C일 때는 Cr양이 1%까지는 천이온도가 저하하고 그 이상으로 되면
천이온도는 상승한다.
⑥ Si의 영향 : 림드강에 미소량을 첨가한 경우는 천이온도가 저하하며, Al과 조합하여 탈
산한 경우는 한층 강화된다.
4) 압연종료 온도
압연 그대로 사용하는 용접강판에서는 압연종료온도를 낮추는 것도 결정립 미세화와의 관
계에서 강의 저온취성을 개량하는 효과가 있다.