1. 서 론
자동차 외판용 소재로 주로 사용되는 소부경화강(BH강, bake hardening steel)은 우수한 성형성 및 내덴트성(dent resistance)이 필수적으로 요구된다[1-6]. 현재 자동차 외판 소재로 페라이트계 극저탄소강(IF 강, interstitial free steel)이 많이 사용되고 있는데, 이들은 우수한 성형 특성과 소부경화로 인한 항복강도 증가 등의 장점이 있다. 하지만, 변형 후 일정 시간이 지남에 따라 불연속 항복 거동, 강도 증가 및 연신율 감소와 같은 변형 시효(strain aging) 현상이 나타나 가공시 성형 불량의 원인이 되기도 한다[7-11]. 따라서 이를 억제하는 것이 바람직하지만, 성형 후 내 덴트성 및 충돌 저항성을 향상시키기 위해서는 변형 시효를 통한 강도 증가가 BH강에서 필수적이다. 이를 해결하기 위하여 페라이트 기지 내에 소량의 마르텐사이트 조직을 형성시킨 2상 조직강(dual-phase steel)이 최근 주목받고 있다.
한편 강재는 수소 분위기 환경에서 강도 및 연신율과 같은 기계적 물성이 급격하게 저하되는 수소취성(hydrogen embrittlement) 현상이 종종 발생한다[12-17]. 이러한 수소취성은 강의 제조 공정 중 또는 대기 중의 수소에 의해 야기될 수 있다. BH강의 경우 일반적으로 미량합금원소를 소량 첨가하여 탄화물 형성에 의한 탄소 제어로 불균일 항복 거동을 억제하지만, 이를 통해 형성된 탄화물은 미세조직 내부의 수소 트랩 사이트(hydrogen trap site)를 변화시키기 때문에 수소취성 저항성에 영향을 줄 수 있다. 또한 BH강은 제조 후 외판 성형을 위해 프레스 가공을 하는 과정에서 소성 변형으로 인해 전위밀도가 증가하게 되는데, 최근 Li 등[18]은 고강도 강재의 예비 변형 상승에 따라 수소의 가역적 트랩 사이트인 전위밀도가 증가하여 수소취성 저항성이 감소하는 것을 확인하였다. 실제로 2상 조직을 갖는 BH강의 경우 소량의 마르텐사이트 형성으로 인한 미세조직 변화가 수소취성 저항성에 영향을 줄 수 있다[19]. 이와 같이 BH강의 기계적 특성은 변형 시효 조건이나 수소 환경에 따라 변화될 수 있기 때문에 고품질의 자동차용 강재를 개발하기 위해서는 변형 시효와 수소취성 거동에 대한 이해가 필수적이다. 본 연구에서는 페라이트 단상 및 페라이트-마르텐사이트 미세조직을 갖는 2상 조직의 BH강을 제조한 후 변형 시효 거동과 함께 예비 변형에 따른 수소취성 거동을 평가하였다.
2. 실험 방법
2.1 미세조직 분석
본 연구에서 사용된 강재의 화학 조성은 각각 IF 강재인 Fe-0.002C-0.15Mn-0.003Nb(wt.%)와 2상 조직 강재인 Fe-0.01C-1.8Mn-0.5Cr(wt.%)의 냉간압연재로 840 °C에서 10분 동안 어닐링 처리한 후 수냉하였다. 편의상 IF 강재를 ‘A 강’, 2상 조직 강재를 ‘B 강’으로 명명하였다. 미세조직을 관찰하기 위해 L-T면(longitudinal-long transverse plane)을 기계적 연마하고, 3 % 나이탈 용액으로 에칭 후 광학현미경과 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope, VEGA3, Tescan, Czech)으로 관찰하였다. 또한 미세조직을 보다 자세히 관찰하기 위해 전자후방산란회절(EBSD, electron backscatter diffraction, TSL Hikari XP, TexSEM Laboratories, USA) 분석을 실시하였다. EBSD 분석은 15 kV 가속 전압, 150 μA의 방출 전류, 70°의 시편 기울기 및 육각형 스캔 그리드에서 0.25 μm의 step size로 분석되었다. EBSD 데이터는 TSL사(TexSEM Laboratories, Inc. Draper, UT, USA)에서 제공하는 OIM(orientation imaging microscopy) 분석 소프트웨어를 사용하여 분석되었다. EBSD 분석을 통하여 inverse pole figure (IPF), phase map, image quality (IQ), kernel average misorientation (KAM)과 같은 여러 OIM map이 분석 및 구현되었다. KAM map은 1st neighboring point로 계산되었으며, 각 시편의 전위밀도 분석을 위하여 KAM을 활용한 기하적 필수 전위(GND, geometrically necessary dislocations) 밀도를 구하였다. GND 밀도는 Gao 등[20], Kubin과 Mortensen[21]가 제안한 아래의 식을 통해 계산되었다.
θ는 KAM 값, b는 시편의 버거스 벡터, x는 EBSD 분석 시 step size이다. 각 시편의 전위 거동 분석을 위하여 시편을 집속이온빔(FIB, focus ion beam, Crossbeam 350, Zeiss, Germany)을 활용하여 가공한 뒤 투과전자 현미경(TEM, transmission electron microscopy, NEO ARM, JEOL, Japan)을 활용하여 분석을 실시하였다.
2.2 변형 시효 평가
각 변형 시효 조건에 대한 경도 측정을 위해 2.0 %, 7.5 %의 예비 변형 후 100 및 170 °C에서 1~2,000분 동안 시효된 시편을 micro-Vickers 경도계를 통해 평가하였다. 인장 시험은 ASTM E8 표준 시험법에 따라 압연 방향으로 표점 거리 25.0 mm, 너비 6.3 mm, 두께 0.7 mm의 sub-size 판상 시편으로 가공하여 실시하였다. 인장 시험은 10톤 용량의 만능 시험기(UT-100E, MTDI, Korea)를 사용하였으며, 5.0 × 10-3 s-1의 변형률 속도로 실시하였다.
또한 단상 및 2상 조직을 갖는 BH강재의 프레스 성형 및 도장 공정 후 건조에 해당되는 BH 지수(bake hardening index) 및 시효 지수(AI, aging index)를 측정하였다. 자동차 도장 후 건조 과정과 동일한 공정을 모사한 BH 지수는 2.0 % 초기 변형을 가한 상태에서 측정된 유동 응력과 2.0 % 초기 변형 후 170 °C에서 20분 동안 시효 후 다시 인장 시험을 실시하여 얻은 하부 항복강도의 차이로 측정하였다[22]. 또한 시효 지수는 7.5 % 초기 변형을 가한 상태에서 측정된 유동 응력과 초기 변형 후 100 °C에서 1시간 동안 시효 후 다시 인장 시험을 실시하여 얻은 하부 항복강도와의 차이로 측정하였는데[23], 이는 극저탄소 페라이트 강이 3개월 동안 상온에서 시효시 발생하는 탄소 원자의 확산과 동일한 효과를 나타낸다.
2.3 수소취성 평가
본 연구에서는 수소취성 영향을 평가하기 위해 전기화학적 수소 주입을 실시한 후 인장 시험을 진행하였다. 인장 시편은 변형 시효 시험과 동일한 시편과 인장시험기를 사용하여 진행하였고, 공정의 성형 공정을 모사하기 위하여 일부 시편은 각각 10, 20 %의 예비 변형을 실시하였다. 수소 주입 조건은 3 % NaCl + 0.3 % NH4SCN 수용액을 사용하여 50 A/m2의 전류 밀도로 24시간동안 주입하였다. 수소취성 평가는 5.0 × 10-5 s-1의 느린 변형률 속도로 저속 인장시험(SSRT, slow strain rate test)을 실시하였다. 수소 주입 전후 인장 시험을 진행한 시편들의 파면은 SEM을 이용하여 분석하였다. 편의상 수소 주입 전은 ‘Noncharged’, 수소 주입 후는 ‘H-charged’로 표기하였으며 수소취성 저항성 비교를 위한 지표로 널리 사용되는 상대적 단면적 감소율(RRA, relative reduction of area), 상대적 연신율(REl, relative elongation)을 아래 식으로 계산하였고, 수소취성 저항성의 지표로 사용하였다.
또한 수소 주입 후 수소 트랩 사이트를 간접적으로 확인하기 위하여 실버 데코레이션(silver decoration) 실험을 실시하였다. 실버 데코레이션 실험은 열처리된 시편을 10 × 10 × 0.7 mm의 크기로 가공 후 3 % NaCl + 0.3% NH4SCN 수용액에서 10 A/m2의 전류 밀도로 12시간동안 수소 주입을 진행하였다. 이후 수소 주입이 완료된 직후 시편을 4.3 mM 시안화은칼륨(KAg(CN)2) 수용액에 30분 동안 침지시켜 시편 표면에 흡착된 수소와 은이온의 화학적 반응에 따라 은입자를 석출시켰다. 이후 시편을 SEM으로 관찰하여 수소의 위치 및 분포를 확인하였다.
한편 수소 주입 후에 시편 내부에 집적된 확산성 수소의 정량 분석을 위해 열탈착 분석(TDS, thermal desorption spectroscopy) 분석을 실시하였다. 시편 준비는 전기화학적 수소 주입 방법과 같이 3 % NaCl + 0.3% NH4SCN 수용액에서 50 A/m2의 전류 밀도로 24시간 동안 모든 시편에 수소를 동일한 조건으로 주입하였다. 또한 TDS를 활용하여 100 °C/h, 300 °C/h 및 600 °C/h의 각각 다른 승온 속도로 수소의 탈착 속도 피크를 분석하여 수소의 탈착에 필요한 활성화 에너지(activation energy)를 구하였다. 활성화 에너지를 구하는 방법은 Kissinger가 제안한 아래와 같은 식을 이용하여 계산하였다[24].
β는 승온 속도이고, Tc는 TDS 분석 시 최고 피크의 온도이며 R은 기체 상수이다.
3. 실험 결과 및 고찰
3.1 미세조직
본 연구에서 제조된 A 강 및 B 강의 미세조직을 OM 및 SEM으로 관찰한 미세조직 사진을 그림 1에 나타내었다. 일반적으로 탄소, 크롬, 망간은 강재의 경화능을 향상시켜 마르텐사이트 형성을 용이하게 하는 것으로 알려져 있다. 따라서 극저탄소 분율을 가지는 A 강은 페라이트 단상의 미세조직을 가지며, A 강에 비해 상대적으로 높은 합금 원소 분율에 의해 B 강은 3 %의 부피 분율을 갖는 마르텐사이트 조직이 페라이트 계면에서 형성되었다. 또한 A 강보다 B 강이 상대적으로 미세한 결정립을 나타내며, 이는 초기 냉연조직의 영향을 받았기 때문이다. BH강의 기계적 특성은 고용 원소와 전위 사이의 상호작용, 변형 시효 조건 등에 따라 다르게 나타날 수 있으며[25-29], 페라이트-마르텐사이트의 2상 조직을 갖는 B 강은 마르텐사이트 변태 중 형성되는 가동 전위로 인하여 페라이트 단상의 미세조직을 갖는 A 강에 비해 전위밀도가 높아 소부경화 효과가 다르게 나타날 수 있다.
B 강의 페라이트 계면에 형성된 마르텐사이트는 예비 변형 동안 전위가 집적되어 국부적으로 높은 전위밀도가 형성된다. 이러한 마르텐사이트 조직 주변의 높은 전위밀도는 소부경화에 영향을 미칠 수 있기 때문에 전위 분포에 대한 관찰을 위하여 B 강을 0, 2.0, 7.5 %로 예비 변형 후 EBSD 분석을 실시하였다. 그림 2은 B 강의 예비 변형에 따른 EBSD 미세조직 및 전위밀도 계산 결과를 나타낸다. EBSD 분석 결과 OM 및 SEM 분석과 마찬가지로 페라이트 계면 사이에서 마르텐사이트 조직이 관찰되었으며, 모든 예비 변형 조건에서 마르텐사이트 계면은 높은 전위밀도로 인한 밝은 영역이 KAM map을 통해 관찰되었 다. 또한 예비 변형을 실시할 시 전위밀도가 증가하여 KAM map 상에서 밝은 영역이 증가하는 모습을 보인다. EBSD 분석 시 KAM 값은 전위밀도로 나타낼 수 있는 GND와 관련이 있으며 KAM 값으로부터 GND 밀도를 계산하기 위해 Mortensen과 Kubin이 제안한 방법을 적용하여 계산한 결과 예비 변형이 높아질수록 GND 값이 증가하며 전위밀도가 증가함을 보여준다.
그림 2의 EBSD 분석 결과 페라이트-마르텐사이트 계면은 KAM map 상에서 밝은 영역으로 높은 전위밀도를 의미한다. 이러한 페라이트-마르텐사이트 계면상의 높은 전위밀도를 상세하게 관찰하기 위하여 해당 영역을 TEM으로 분석한 결과를 그림 3에 나타내었다. 마르텐사이트 변태 중 체적 팽창에 의해 생성된 가동 전위로 인해 마르텐사이트 주변의 전위밀도가 증가하여 페라이트-페라이트 계면과는 달리 페라이트-마르텐사이트 계면에서 더 많은 전위들이 관찰되었다. 해당 계면에서 집적된 전위들은 시효 시 탄소 원자와 상호작용하여 소부경화 효과를 높이는 인자로 작용한다.
3.2 변형 시효 특성
BH강의 변형 시효 특성은 고용 원소와 전위 사이의 상호작용, 예비 변형, 시효 시간 및 온도와 같은 다양한 조건에 따라 다르게 나타날 수 있으며, 각 미세조직에 따른 변형 시효 특성 및 메커니즘은 다르게 나타날 수 있다[25-29]. 미세조직에 따른 BH강의 변형 시효 특성을 평가하기 위해 시효 온도 및 시간 변화에 따른 경도를 측정하였고, 그 결과를 그림 4에 나타내었다. 다양한 변형 시효 조건에서 페라이트 단상인 A 강과 페라이트-마르텐사이트 2상 조직을 갖는 B 강의 경도 변화는 다르게 나타난다. 이러한 경도의 변화는 시효 후 경화 단계를 구분하는 것에 매우 중요하게 사용될 수 있다. A 강의 경도는 시효 시간이 지날수록 증가하였고, 1,000분의 시효 시간 이후에는 경도가 감소하였다. 0~240분의 시효 시간에서는 전위와 탄소가 고정되는 코트렐 효과(Cottrell effect)로 경도가 증가하는 것으로 추정된다[30]. 그러나 시효가 진행됨에 따라 과시효에 의한 전위밀도의 감소와 석출물의 조대화로 인해 경도가 감소한다[31]. 이는 2,000분간 시효가 진행된 A 강 시편의 SEM 이미지에서 60분간 시효된 시편보다 조대화된 석출물이 관찰된 것에서 확인할 수 있다.
한편 B 강은 마르텐사이트 형성에 따라 전위와 탄소의 상호작용이 증가하여 A 강에 비해 상대적으로 높은 경도 값을 보이고 있다. B 강 또한 A 강과 마찬가지로 시효 시간이 증가함에 따라 경도 값이 증가하였고, 과시효가 진행되면서 경도가 감소하였다. 그러나 Waterschoot 등은 변형 시효 조건에 따라 3단계의 경화 단계를 보고하였다[32]. 해당 단계로는 초기 시효시 열적 에너지로 인해 탄소와 전위가 서로 상호작용을 통해 서로 고착하게 되는 코트렐 분위기로 경도가 소량 증가하는 첫번째 단계, 시효가 지속됨에 따라 저온 변태 탄화물 석출과 탄소와 전위 고착량이 계속 증가하여 강도와 경도가 급격하게 증가하는 두번째 단계, 과시효 현상에 의해 마르텐사이트에 전이 탄화물이 형성되어 마르텐사이트 격자 변형이 감소하여 경도와 강도가 감소하는 세번째 단계로 구분하였다. 따라서 B 강의 경도는 시효 시간에 따라 변화하는 값을 보이며 0~40분간 시효된 B 강의 경도는 점차 증가하였지만, 60분 이상 시효시에는 급격히 경도가 증가하였다. 60분간 시효된 B 강의 SEM 이미지 분석 결과 페라이트 기지에 미세한 탄화물이 형성되었다. 이는 저온 변태 탄화물 및 탄소 클러스터로 인해 형성된 탄화물로 경도가 크게 증가한 결과를 뒷받침한다. 한편 1,000분 이상 시효된 시편의 경우에는 석출물이 조대화된 것이 확인되며 마르텐사이트 체적 분율의 감소와 시효 동안의 석출물의 조대화로 인해 경도가 급격하게 감소하는 결과를 보였다.
한편 성형성이 우수하고 강도가 높은 자동차용 강판을 개발하기 위해서는 성형 공정에서 낮은 AI 및 높은 BH 특성이 요구된다[33]. 이를 위한 BH강의 변형 시효 특성을 알아보기 위해 AI 및 BH 지수 시험을 수행하였으며, 그 결과를 그림 5에 나타내었다. AI 및 BH 지수 시험 결과 항복강도 증가는 마르텐사이트와 시효 온도에 영향을 받는 것으로 나타났다. BH 지수 시험 이후 A 강보다 B 강에서 항복강도가 더 높게 증가하였으며, AI시험은 항복강도를 상대적으로 약간 증가시켰다. AI 시험보다 더 높은 온도의 시효를 실시하는 BH 지수 시험에서 탄소는 페라이트-마르텐사이트 계면 모두에서 확산된다. 따라서 B 강은 탄소가 높은 전위밀도 영역의 가동 전위에 고착됨에 따라 높은 항복강도 증가를 보였지만, A 강은 낮은 전위밀도와 페라이트 내부의 탄소 분율이 낮아 BH 지수 시험에서 항복강도가 상대적으로 더 적게 증가하였다. AI 시험 결과는 상대적으로 낮은 온도에서 수행하였기 때문에 마르텐사이트 내의 탄소 고용이 충분히 확산되지 않았다. 또한 마르 텐사이트 변태는 페라이트 내의 탄소 분율을 상대적으로 감소시키기 때문에 상대적으로 낮은 항복강도를 나타낸 것으로 판단된다. Fick의 제1법칙과 MatCalc 계산 결과와 함께 그림 2 (f)의 전위량과 탄소고정량을 정량적으로 계산하였다. B 강의 전위당 탄소확산량을 계산한 결과 7.5 % 예비 변형 후 100 °C에서 시효된 이중상 시편은 2.0 % 예비 변형후 170 °C에서 시효된 것보다 14 % 낮은 것으로 나타났다. 따라서 7.5 %로 예비 변형된 시편은 높은 전위밀도를 갖는 시효 시험은 낮은 탄소확산율과 높은 전위밀도에 의한 전위당 탄소고정량이 낮기 때문에 BH 시험에 비해 AI시험의 결과가 낮은 것으로 추정된다. 또한 BH 시험은 전위밀도가 낮고, 탄소확산율이 높아 전위당 탄소 고정량이 많아 항복강도 증가율이 높았다.
3.3 수소취성 특성
BH강의 미세조직 변화는 변형 시효 특성에 영향을 미칠 뿐만 아니라 수소취성에도 큰 영향을 미친다. 따라서 미세조직에 따른 BH강의 수소취성 평가를 위해 본 연구에서 제조된 A 강 및 B 강에 대하여 예비 변형 및 전기화학적 수소 주입 전후에 따른 인장 응력-변형률 곡선과 인장 특성을 정리하여 그림 6에 나타내었다. 먼저 수소 주입 전 인장 시험 결과에서 B 강은 페라이트 계면에서 형성된 소량의 마르텐사이트에 의해 A 강보다 높은 강도와 낮은 연신율을 나타내었다. 예비 변형이 높아질수록 가공경화로 인해 강도가 증가하고, 연신율이 감소하는 경향을 확인하였다. 또한 수소 주입 후 페라이트 단상의 조직을 갖는 A 강은 수소 주입 전후 연신율 변화가 적었다. 그러나 B 강은 소량의 마르텐사이트 형성에 의해 A 강 보다 가역적 수소 트랩 사이트로 작용하는 전위밀도의 증가와 마르텐사이트 내부에서 패킷(packet), 블록(block), 래스(lath)와 같은 다수의 바운더리로 인해 상대적으로 더 낮은 상대적 단면적 감소율과 상대적 연신율을 나타내어 수소취성 저항성이 감소하였다.
일반적으로 예비 변형이 높아질수록 전위밀도가 증가하고, 전위는 수소의 가역적 트랩 사이트로 작용하여 수소취성 저항성을 감소시킨다[34,35]. 본 연구에서도 예비 변형 된 시편은 수소 주입 후 인장시험 결과 상대적 단면적 감소율과 상대적 연신율의 값이 매우 크게 감소하는 수소취성 거동을 보였다. 이는 예비 변형이 높아짐에 따라 시편 내에 전위밀도, 공공 및 미소 균열이 증가하고, 이들은 수소의 확산성 트랩 사이트로 작용하여 수소취성 저항성을 감소시키기 때문이다. 반면 A 강은 Nb 첨가에 의한 NbC 탄화물이 형성되어 수소취성 저항성에 영향을 미치는데, NbC 탄화물과 기지의 계면은 수소가 침투하지만, 높은 결합 에너지로 인해 확산하지 못하는 비가역적(irreversible)수소 트랩 사이트로 작용하여 수소취성 저항성을 증가시키는 것으로 알려져 있다[36-38]. 추가로 B 강 시편은 페라이트 계면에서 형성된 소량의 마르텐사이트로 인하여 낮은 수소취성 저항성을 가진다. 이는 BCC(body-centered cubic)의 구조를 갖는 페라이트와 달리 마르텐사이트는 BCT(body-centered tetragonal)의 구조를 가져 가역적 수소 트랩 사이트로 작용하는 것으로 알려져 있다[39-41].
A 강 시편과 B 강 시편 모두 예비 변형이 높아질수록 수소취성 저항성이 감소하는 결과를 보였다. 예비 변형이 높아짐에 따라 수소의 가역적 트랩 사이트로 작용하는 전위밀도가 증가하고, 수소가 고착된 전위는 결정립계, 석출물, 마르텐사이트 계면 등에 고착되어 국부적인 영역에서 수소의 농도 상승을 유발한다. 국부적인 영역에 응집된 수소는 수소 유기 국부 소성(Hydrogen Enhanced Localized Plasticity, HELP) 이론에 따라서 전위의 반발력과 같은 상호작용 에너지를 감소시켜 전위 이동도를 증가시키고, 항복강도를 감소시켜 낮은 응력에서 균열이 발생한다[42,43]. 따라서 예비 변형이 높아질수록 전위와 같은 가역적 수소 트랩 사이트의 증가와 국부적인 영역에서의 수소 응집으로 인하여 수소취성 저항성이 감소함을 알 수 있다.
수소취성 저항성에 영향을 미치는 수소 트랩 사이트들을 간접적으로 확인하기 위해 수소 주입 후 실버 데코레이션 실험을 실시하여 그림 7에 나타내었다. 시안화은칼륨 수용액 내부의 은이온이 시편 내부에 주입된 수소 이온과 반응하여 은입자를 형성하며 따라서 은입자가 있는 장소는 수소의 트랩 사이트인 것을 확인할 수 있다. 이러한 은입자들은 수소 트랩 사이트로 작용하는 부분에서 관찰되었으며 공통적으로 모든 시편들의 결정립계에서 은입자들이 관찰되었다. 저배율의 이미지인 그림 7 (a), (b)에서 A 강에서는 소수의 은입자가 페라이트 입내에 관찰되었지만, B 강에서는 상대적으로 더 많은 은입자가 관찰되었다. B 강의 은입자 위치를 파악하기 위하여 고배율의 이미지인 그림 7(c), (d)에서 은입자들이 마르텐사이트 조직에서 집중적으로 관찰된 것을 확인하였다. 이는 BH강의 결정립계와 마르텐사이트 조직이 주요한 수소의 트랩 사이트임을 나타내고 은입자가 더 많이 관찰된 B 강 시편이 더 많은 양의 수소가 주입됨을 나타낸다[44].
한편 미세조직에 따른 수소 주입량을 정량적으로 평가하고, 예비 변형에 따른 각 트랩 사이트의 활성화 에너지를 계산하기 위하여 수소 주입한 B 강 시편의 예비 변형에 따른 TDS 분석 결과를 그림 8에 나타내었다. B 강의 예비 변형이 높아질수록 시편 내부에서 탈착된 수소량이 증가하는 결과를 보였고, 이는 예비 변형에 의한 전위밀도 증가가 시편 내부에 주입된 수소의 양에 큰 영향을 주는 것을 나타낸다. 예비 변형에 따라 형성된 전위와 공공은 수소의 가역적 트랩 사이트로 작용하여 수소 주입시 예비 변형을 가하지 않은 시편보다 더 많은 양의 수소가 주입되었다. 또한 Kissinger가 제안된 방법을 응용하여 금속 내부로 침투한 수소 활성화 에너지를 계산하였으며 열방출 측정을 통한 화학반응에서 활성화 에너지를 도출하여 수소의 트랩 사이트를 유추하였다. 예비 변형이 가해진 B 강 시편 의 활성화 에너지가 예비 변형이 가해지지 않은 B 강 시편의 활성화 에너지보다 낮은 값을 나타냈고, 이는 낮은 활성화 에너지 값과 높은 수소 함량을 가지고 있는 20 % 예비 변형된 시편이 낮은 수소취성 저항성을 나타나는 것으로 판단하였다.
4. 결 론
본 연구에서는 단상 및 2상 조직을 갖는 BH강의 변형 시효 및 예비 변형에 따른 수소취성을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 다양한 변형 시효 조건에서 페라이트 단상 조직의 BH강은 코트렐 효과로 인한 경도 증가 후 과시효에 의한 경도 감소가 관찰되었다. 반면 2상 조직의 BH강은 코트렐 효과로 인한 경도 증가, 저온 변태 탄화물 석출과 탄소와 전위 고착량 증가에 의한 급격한 경도 증가, 과시효에 의한 경도 감소가 일어났다.
2) 2상 조직 BH강은 내부의 높은 탄소 함량과 전위밀도로 페라이트 단상 BH강보다 AI 및 BH 지수 시험에서 높은 항복강도 증가를 나타내었다. 또한 BH 지수 시험에서는 AI 시험보다 높은 시효 온도를 가져 전위밀도가 낮고, 탄소 확산이 증가하여 전위당 탄소 량이 증가하기 때문에 항복강도가 더 크게 증가되었다.
3) 수소 주입 전후 인장 시험 결과 2상 조직의 BH강은 단상 조직의 BH강 보다 연신율 감소가 큰 결과를 보였다. 이는 단상 조직의 BH강의 경우 Nb 첨가로 인해 형성된 NbC가 비가역적 수소 트랩 사이트로 작용한 반면, 2상 조직강의 마르텐사이트 조직은 다수의 바운더리로 인해 가역적 수소 트랩 사이트로 작용하였기 때문이다.
4) 예비 변형량에 따른 수소취성 저항성 평가 결과 예비 변형이 증가함에 따라 상대적 단면적 감소율 및 연신율이 감소하였으며, 이는 예비 변형이 증가할수록 가역적 수소 트랩 사이트로 작용하는 전위 및 공공의 양이 증가하여 수소취성 저항성을 감소시키기 때문이다.
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