Se-mi Hyun;Min-Chul Kim;Seokmin Hong;Jongmin Kim;Seok Su Sohn
Nuclear Engineering and Technology
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제56권9호
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pp.3528-3535
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2024
SA508 Gr.1A low-alloy steel is being considered as a candidate material for main steam line piping in nuclear power plants. Therefore, improving its strength and toughness is essential for enhancing the leak-before-break (LBB) margin. In this study, six types of model alloys were fabricated by varying the contents of microalloying elements (C, Cu, B, Ti, and Nb) to enhance the mechanical properties of the specimens. The addition of a few ppm of B led to the formation of a fine-grained low-temperature transformation microstructure, resulting in the highest strength among the model alloys. However, the addition of Nb and Ti increased the formation of coarse ferrite, significantly decreasing the strength of the alloys. Reducing the C content while adding a small amount of B simultaneously maintained strength and enhanced toughness. Furthermore, the LBB margins of model alloys and commercial steel were evaluated to validate the influence of varying microalloying content. The model alloys exhibited a substantial increase in yield strength and fracture resistance, resulting in a more than 10% increase in the LBB margin. Notably, the LBB margin of the alloy with 15 ppm B was 1.39, approximately 25% higher than that of commercial steels.
Niobium microalloying is effective in hot-rolled and cold-rolled steels by providing a fine-grained microstructure resulting in increased strength. To optimize the strengthening effect, alloy design and hot-rolling conditions have to be adapted. As a key issue the dissolution and precipitation characteristics of Nb are discussed in particular with regard to the run-out table conditions. It is then considered how the hot-rolled microstructure and the solute state of Nb interact with the hot-dip galvanizing cycle. The adjusted conditions allow controlling the morphology and distribution of phases in the cold-rolled annealed material. Additional precipitation hardening can be achieved as well. The derived options can be readily applied to produce conventional HSLA and IF high strength steels as well as to modern multiphase steels. It will be explained how important application properties such as strength, elongation, bendability, weldability and delayed cracking resistance can be influenced in a controlled and favorable way. Examples of practical relevance and experience are given.
한국소성가공학회 1999년도 제3회 압연심포지엄 논문집 압연기술의 미래개척 (Exploitation of Future Rolling Technologies)
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pp.383-389
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1999
The purpose of this study was to investigate the effects of alloying and rolling condition on the mechanical properties and to develop high strength line pipe steels with good toughness. Tests were carried out by the laboratory experiments followed by mill trials and mass production. It was found that a small addition of microalloying elements, such as Nb, V with Mo or Ti remarkably increased the strength and toughness of hot strips. The optimum condition of thermomechanical rolling on low carbon microalloyed steel improved the toughness through the formation of a fine and uniform microstructure. Based on this mill trials following the fundamental research, the production technology of line pipe steels, grade X70∼X100 with high toughness, has been established. These grade steels exhibit excellent low temperature toughness (vTs= under -80$^{\circ}C$) and sufficient strength in both the base metal and the ERW seam weld position, respectively.
Recent development of ultrafine grained (UFG) low carbon steels by using equal channel angular pressing (ECAP) and their room temperature tensile properties are reviewed, focusing on the strategies overcoming their inherent mechanical drawbacks. In addition to ferrite grain refinement, when proper post heat treatments are imposed, carbon atom dissolution from pearlitic cementite during ECAP can be utilized for microstructural modification such as uniform distribution of nano-sized cementite particles or microalloying element carbides inside UFG ferrite grains and fabrication of UFG ferrite/martensite dual phase steel. The utilization of nano-sized particles is effective on improving thermal stability of UFG low carbon ferrite/pearlite steel but less effective on improving its tensile properties. By contrast, UFG ferrite/martensite dual phase steel exhibits an excellent combination of ultrahigh strength, large uniform elongation and extensive strain hardenability.
As a research for developing fine-grained high strength low carbon steels, the effects of austenitization temperature and hot deformation on microstructure was investigated in 0.15 wt.% carbon steels with microalloying elements such as Nb and Ti. When the steels were reheated at $1250^{\circ}C$, Nb containing steel showed very coarse austenite grain size of $200{\mu}m$ whereas Nb-Ti steel did fine one of $70{\mu}m$ because Ti carbonitrides could suppress the austenite grain growth. In case of 50% reduction at $850^{\circ}C$, the austenite grains in the Nb steel partially recrystallized while those in the Nb-Ti steel fully recrystallized probably due to finer prior austenite grains.For the Nb-Ti steel, ferrite grain size was not sensitively changed with austenitization temperature and compression strain and, severe deformation of 80% reduction was not essentially necessary to refine ferrite grains to about $3{\mu}m$ which could be obtained through lighter deformation of 40% reduction.
LI$_{2}$형 결정구조를 갖는 Ni-20at.%AI-10at%Fe 금속간화합물에 boron, zirconium 과 hafnium을 최고 0.5at.% 까지 첨가하여 항복강도, 연성, 파괴 등 기계적 성질의 변화를 인장시험과 X선분석 및 XPS분석 등을 통하여 관찰하였다. Ni-20at.% AI-10at.% Fe금속간화합물에 boron을 첨가하였을 때는 연신율의 현저한 증가가 나타났으나 zirconium이나 hafnium첨가의 경우에는 별다른 효과가 나타나지 않았다. Ni-20at.%AI-10at%Fe 금속간화합물의 경우, boron의 양이 증가할수록 인장연신율이 증가하였으며 0.1at.%의 boron을 첨가한 경우 최고 48.5%의 상온인장연신율을 나타내었다. 첨가물을 넣지 않은 경우와 zirconium과 hafnium을 첨가한 경우, 파괴모드는 입계파괴의 형태를 나타내었으나 boron을 첨가한 경우에는 파괴모드가 입계파괴에서 입내파괴로 변화되었다. XPS분석을 통하여 boron이 입계에 편석된 것을 관찰할 수 있었으며 이는 이미 제시된 여러가지 해석들과 일치하는 결과이다. 이로부터 boron의 첨가에 따른 인장연신율의 증가는 boron의 입계편석거동과 관련이 있음을 알 수 있다.
This study was undertaken to evaluate the allowable welding heat input range for high strength steels manufactured by various processes and to compare the weldability of TMCP steel for high heat input welding with that of conventional Ti-added normalized steel. The allowable welding heat input ranges for conventional 50kg/$mm^2$ steel to guarantee D or E grade of ship structural steel were below 150 and 80kJ/cm respectively. Such a limit in welding heat input was closely related with the formation of undesirable microstructures, such as grain boundary ferrite and ferrite side plate in the coarse grain HAZ. In case of 60 and 80kg/$mm^2$ quenched and tempered steels, for securing toughness in weldments over toughness requirements for base metal, each welding heat input had to be restricted below 60 and 40kJ/cm, that was mainly due to coarsened polygonal ferrite in weld metal and lower temperature transformation products in coarse grain HAZ. The TMCP steel could be appropriate as a grade E ship hull steel up to 200kJ/cm, but the Ti-added normalized steel could be applied only below 130kJ/cm under the same rule. This difference was partly owing to whether uniform and fine intragranular ferrite microstructure was well developed in HAZ or not.
A series of experiments has been carried out to investigate the effect of titanium, boron and nitrogen on the microstructure and toughness of simulated heat affected zone (HAZ) in quenched and tempered (QT) type 490MPa yield strength steels. For acquiring the same strength level, the carbon content and carbon equivalent could be lowered remarkably with a small titanium and boron addition due to the hardenability effect of boron during quenching process. Following the thermal cycle of large heat input, the coarsened grain HAZ (CGHAZ) of conventional quenched and tempered (QT) type 490MPa yield strength steels exhibited a coarse bainitic or ferrite side plate structure with large prior austenite grains. While, titanium and boron bearing QT type 490MPa yield strength steels were characterized by the microstructure in the CGHAZ, consisting mainly of the fine intragranular ferrite microstructure. Toughness of the simulated HAZ was mainly controlled by the proper Ceq level, and the ratio of Ti/N rather than titanium and nitrogen contents themselves. In the titaniumboron added QT steels, the optimum Ti/N ratio for excellent HAZ toughness was around 2.0, which was much lower than the known Ti/N stoichiometric ratio, 3.4. With reducing Ti/N ratio from the stoichiometric ratio, austenite grain size in the coarse grained HAZ became finer, indicating that the effective fine precipitates could be sufficiently obtained even with lower Ti/N level by adding boron simultaneously. Along with typical titanium carbonitrides, various forms of complex titanium and boronbased precipitates, like TiNMnSBN, were often observed in the simulated CGHAZ, which may act as stable nuclei for ferrite during cooling of weld thermal cycles
최근의 연구에 의하면 직접 소입강에서 미량의 베이나이트상의 생성이 확인되었다. 마르텐사이트 변태전에 생성된 베이나이트상은 마르텐사이트의 패킷을 미세화시키고 입도 미세화로 기계적 성질을 향상시킨다고 한다. 본 연구에서는 미량 합금 원소로 Mo, B 등을 첨가한 강을 $1200^{\circ}C$에서 단조하여 물에 직접 소입한 후, 베이나이트상의 분율을 조절하기 위해 베이나이트 변태 온도에서 일정시간 유지하는 열처리 과정을 거쳐 생성된 베이나이트상의 분율과 기계적 성질간의 관계를 고찰하였다. 이로써 마르텐사이트와 베이나이트 혼합 조직의 강도와 인성을 증가시키는 효과적인 베이나이트 분율을 조사한 후에, 직접 소입시에 이와 같은 분율의 베이나이트 함량으로 조절할 수 있는 방법을 제시하여 고강도 고인성형 직접 소입강의 개발에 활용하고자 한다.
0.4wt% C을 함유하는 기존의 기계구조용 탄소강에 V과 Nb을 단독 또는 복합으로 첨가한 열간단조용 비조질강의 기계적 성질을 조사하고, 미세조직과 셔출물의 분포 및 형상을 관찰하였으며 첨가원소의 영향을 정량화 하기 위해 중회귀분석을 행하였다. 인장시험 결과 모든 재료의 인장강도는 $70kg/\textrm{mm}^2$ 이상으로 기존의 소입.소려재(S45C)와 동등하거나 그 이상이었으며, 충격시험 결과 대부분 재료의 충격에너지는 40J 이하로 기존 재료의 약 50%정도였 다. V함량이 0.10에서 0.l5wt%로 증가하였을 경우 인장강도는 약 20% 증가하였으나 충격에너지는 감소하였다. 이는 VC의 미세석출에 의해 석출강화 효과와 함께 펄라이트의 부피분율이 증가하고 층간거리가 감소했기 때문이다. 반면 Nb 함량이 0.05에서 0.10wt%로 증가한 경우에는 강도와 인성의 근소한 증가경향을 나타내었다. 이는 NbC의 석출애 의한 결정립 미세화 효과가 VC 보다 우세했기 때문이다. 또한 V+Nb의 복합첨가는 단독첨가시에 비하여 충격인성의 향상에 보다 효과적이었으며, 본 실험에서 최적 강도와 인성의 조합을 보인 합금조성은 0.4C-1.19Mn-0.05S-0.12V-0.07Nb로 인장강도는 $84kg/\textrm{mm}^2$ 이상, 충격인성은 34J 이상이었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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