이번에는 탄소강의 합금에 관하여 다뤄보고자 한다.  탄소강에 다른 금속을 첨가하면 그것을 합금강이라 칭하는데, 첨가하는 원소에 따라서 기계적 성질이 완전히 달라지는 것을 알 수있다 . 이번장에서는 탄소강의 합금원소에 대하여 알아보려고 한다. 탄소강이 참 재미있는 친구인거 같다. 어떤 원소를 합금하느냐 에 따라서 불리우는 이름도 다르고, 사용하는 용도도 달라지는 것이 참 재미있는 거라 생각한다.

1.탄소강의 합금및 기계적 성질및 강도 검사종류

 

1.1탄소강의 합금(Carbon steel of Alloy) 및 합금원소의 종류

이 설명에 일차적인 관심은 합금강이며, 그들은 더욱 세분화된 3개의 subcategory로 분류되는데
즉 plain carbon steel, 저 합금강, 고 합금강이다.
톤(tonage)를 기준으로 plain carbon steel이 가장 널리 사용된다. 그것은 1차적으로 철 이외에
소량의 탄소, 망간, 인 , 황, 규소가 포함되었다. 탄소 양이 금속성질에 가장 큰 효과를 가진다.
저 합금강은 다른 원소를 최소로 첨가하였으며 가령 니켈, 크롬, 망간, 규소, 바나디움, columbium,
알루미늄, 몰리브덴, 그리고 보론이다.
이런 원소들의 다양한 함량에 따라 기계적 특성이 놀랄만큼 다른 결과를 가질수 있다.
이러한 저 합금강은 일반적으로 고강도 저합금 구조용강, 자동차용 그리고 기계용 강, 저온용 강,
고온용 강 등으로 분류된다.
강의 마지막 그룹인 고 합금강이다.
스테인레스 그리고 부식 저항용 합금들은 이 합금그룹의 예이다.
스테인레스 강은 적어도 12% 크롬을 함유해야 하며, 그리고 많은 등급 또한 니켈이 상당량 포함
되어있다.

이미지출처:https://newsroom.posco.com/kr/%EC%8A%A4%ED%85%8C%EC%9D%B8%EB%A6%AC%EC%8A%A4-%EC%8A%A4%ED%8B%B8%EC%9D%98-%EB%8B%A4%EC%96%91%ED%95%9C-%EC%A2%85%EB%A5%98%EC%99%80-%EC%82%AC%EC%9A%A9-%EB%B6%84%EC%95%BC%EB%8A%94/

탄소강 합금의 화학 원소의 효과 (Effect of Chemical Elements in steel)

탄소강과 합금하여 기계적성질을 개선 시켜주는 합금원소는 아래와 같다. 한번 알아보면 나쁘지 않다고 생각한다.

탄소(Carbon)

탄소(Carbon) – 강에서 가장 중요한 합금원소로 고려되며, 2%까지 존재할 수있다
(대부분의 용접된 강이 0.5% 이하일지라도)
탄소는 강에서 용해되거나 또는 결합된 형태 가령 탄소철(Fe3C)로 존재한다.
탄소의 양이 증가하면 경도와 인장 강도가 증가하고, 열처리 효과 또한 좋아지지만,
용접성은 감소한다는 단점이 있다.

황(Sulfer)

황(Sulfer) – 일반적으로 합금원소라기 보단 불순물로 취급된다, 강 제작중 감소 시키기 위해
특수한 처리를 한다. 함량이 0.05% 초과시 취성의 원인이 되며, 용접성을 감소시킨다.
0.1∼0.3%양을 추가한 합금은 강의 기계적 성능을 향상시킨다.

인 (Phosphorus)

인 (Phosphorus) – 대부분 탄소강에서는 0.04%까지 함유한다. 저합금 고강도 강에서는 0.1%까지
추가시킨면 강도와 부식저항을 개선 시킨다.

규소( Silicin)

규소(Silicon) – 일반적으로 rolled 된 철판에서는 0.2%정도 존재하며, 탈산제로 사용된다.
용접금속에는 대략적으로 탈산제로써 0.5%가 포함되어있다. 어떤 용가제는 1%까지 포함
되어있으며 청정작용과 오염된 표면에 용접중 탈산작용을 한다.
표면 청정을 위해 용가제를 사용할때는 용접금속 결과 강도가 현저하게 증가한다.                                                          또한 일반적으로 사용하는 건축용 실리콘과는 다르다. 폴리머 구조로 되어있는 실리콘으로 영문 표기는”Silicone”로 표기가 되는 것이 차이점이다.  같은것으로 오해를 안했으면 하는 바이다.

망간(Manganese)

망간(Manganese) – 1) 탈산작용, 2) 황화철의 개재물 형성을 방해
강의 담금질성질이 증가하여 상당한 강도증가

크롬(Chrommiun)

크롬(Chromiun) – 강의 담금질성을  강하게 증가, 산화매체에서 부식저항 개선 몰리브덴과 마찬가지로 부식저항이 강화하여 내식성을 강화하는데 도움을 준다.

모리브덴(Molybdenum)

몰리브덴(Molybdenum) – 담금질성질의 증가와 상승된 온도에서 강도 증가
오스테나이트 스테인레스 스틸에 첨가되면 pitting 부식저항 증가하여 내식성을 개선하는데 도움을 준다.

니켈(Nickle)

니켈(Nickle) – 담금질성 을 증가시키기 위하여 강에 첨가한다. 저온에서 강의 인성을 개선하기 위해
빈번히 사용된다.

알루미늄(Aluminum)

알루미늄(Aluminum) – 탈산제로 매우 적은양을 강에 첨가한다. 인성을 개선하기위해 입자
refiner(정련제)이다 : 강에 적당량의 알루미늄을 첨가하여 “fine grain practic”로 부른다.

바나디윰(Vanadium)

바나디윰(Vanadium) – 강의 담금질성을 증가, 일반적으로 정확한 양을 첨가하면, 경화능을 증가는데에 있어 매우
효과적이다. 0.05% 이상의 양은 열응력 완화 처리동안 Hardenability이 증가량이 커져, 강이 취성화되는 경향이있다.

위의 그림은 연신율과 인장강도와의 관계도를 나타내는 그래프이다.

초 고강도 강은 연신률이 낮은 반면에 인장강도가 높다.

고강도 스틸은 연신률과 인장강도가 적당한것을 그래프에서 해석이 된다.

저강도 스틸은 연신률은 높은 반면 인장강도가 낮다는 것을 알수있다.

이미지출처:https://www.pngwing.com/ko/free-png-dytqv

이영상에서보면 탄소강과 합금강의 차이점을 잘  설명해놓은 영상이라 흥미있게 본바 여기오신분들도 이 분야에 관심이 있으신분이면 잘 보시면 재료공학및 금속에 관련한 일을 하실때 많은 도움이 되실수 있길 바라는 바입니다.

 

파괴시험(Destructive Testing)

인장시험(Tensile Testing)
이 시험은 금속재료의 기계적 강도시험에 가장 기본적인 파괴서험 으로서 가장 많은 정보를 제공한다.                      인장시험의 특성의 종류 는 다음과 같은값을 구할 수 있다.
* 극한 인장강도 (Ultimate Tensile Strength)
* 항복 강도 (Yield Strength)
* 연성 (Ductility)
* 연신율 (Percent Elongation)
* 단면 감소율 (Percent Reducton of Area)
* 탄성계수 (Modulus of Elasticity)
* Proportional Limit(비례 한계)
* 탄성한계 (Elastic Limit)
* 인성 (Toughness)

어떤 인장시험 값은 직접적으로 gage의 값을 읽어서 결정하느 경우도 있지만 대부분은 공식을 이용하여 그값을 계산한다.
시험 진행동안 단지 생성된 응력-변형선도를 분석후 값을 결정할 수 있는 경우도 있다.
연성의 값은 시험전, 후 인장시편의 비교 측정에 따라서 알 수 있다.

*인장시험편*

이미지출처:https://www.instron.com/ko-kr/testing-solutions/astm-standards/the-definitive-guide-to-astm-e8-e8m

인장시험을 할때 가장 중요한 특징중 하나는 시험에  위의 그림과 같은 인장시편을 제작을 하여야 한다는 것이다.
시험중에 이런 부분을 주의깊게 관리하지 않는다면, 시험결과 신뢰성을 상당히 감소시킨다.
한 예로 표면 처리가 불완전하다면 시편의 명백한 강도와 연성에 중대한 감소 결과가 될 수 있다.
때때로 용접된 샘플의 인장 시험이 유일한 목적일 경우, 모재뿐만 아니라 용접부를 시험한다면
단순하게 보여진다.
그런 평가에 대하여, 모든 필요성은 용접부가 시편의 대략적인 중심부가 되는 용접부에 수평축에
수직 방향으로 시편(때때로 strap으로 불려지는)을 제거해야한다.
양 측면 절단은 saw 또는 화염 절단을 사용하여 평행하게 해야하며, 그렇지만 용접 여성고에
대하여 제거를 포함하여, 더 이상 표면처리가 필수적이진 않다. 어떻든 가끔 용접 여성고는
부드럽게 사상한다.
이런 접근은 API 1104와 일치하게 절차서와 용접사 자격시험을 위하여 사용한다.
이 시방서에 따라 성공적인 인장시험을 한다면, 시편이 명시된 모재 강도 이상일 경우,
용접부나 모재에서 파괴현상이 일어날 것이다.
인장시험이 요구될 경우 반드시 그런것은 아니지만 용접부가 모재만큼 강하다면 대부분 금속에
의해서 나타나는 강도와 다른 특성의 실제적인 양을 예정할 필요가 있다.
그러한 값을 결정할 필요가 있을때, 시편 길이의 중심부 근처에 감소된 단면부를 제공하는 형상을 준비해야만 한다.
이 감소된 단면이 파손되는 부분이 된다.
또한 이 단면감소 결과로 시편의 횡단면을 통하여 응력의 일정하게 증가된다.
이 감소된 단면은 확실한 결과를 얻기위해 다음과 같이 3가지 특성을 나타내야한다.

1) 감소된 단면의 전 길이는 횡단면이 일정해야한다.
2) 횡 단면적을 계산해야 하므로 쉽게 계산할 수 있는 모양을 가져야한다.
3) 감소된 단면의 표면은 특히 시편의 수평축에 직각을 이룬다면 요철이 없어야 한다.

이런 이유들로, 시편 준비의 실제적인 기계가공 뿐만 아니라, 인장시편의 2가지 가장 공통적인
단면형상은 원형 또는 직사각형이다.
양 시편은 즉각적으로 준비되고 측정할 수 있다.
실제적으로 인장시험이 요구될 경우 용접 검사자는 인장시편의 실제적으로 감소된 단면적을 계산
할 수있어야 한다.