서브제로 온도 및 시간이 다른 STS316L의 탄성파 특성

Elastic Wave Properties of STS316L with Different Subzero Temperature and Time

Abstract

In this study, STS316L rolled at five rolling degrees were treated with two types of subzero temperatures for 10, 30, and 60 minutes, respectively, and the dominant frequencies of elastic waves was investigated. The dominant frequency was higher as the subzero temperature was lower and the subzero treatment time was longer at each rolling degree. On the other hand, the dominant frequency was higher as the elongation decreased. In the time-frequency analysis for subzero temperature and time of the specimen with a rolling degree of 33%, the dominant frequency was higher at a subzero temperature of -196℃ than -50℃ regardless of subzero treatment time.

1. 서론

구조물은 설계 수명을 초과하여 사용하는 경우가 많아지고 있다. 이러한 노화 구조물은 부식 및 피로로 인하여 내부 손상이 발생할 가능성이 많다. 구조물의 부식은 사용하는 환경에 따라서 부식 속도가 다를 수 있다. 피로는 응력 집중부에서 균열 발생 및 전파하며, 부식 환경은 악화시킨다. 구조물의 손상은 감지하지 못할 경우, 인적 및 물적으로 막대한 비용이 발생할 수 있다. 부식과 피로로 인한 구조물의 지속적인 검사 및 유지 보수는 안전하고 효율적인 수명 연장의 핵심 요소이다.

한편 강 구조물은 열화, 온도 변화 및 외력으로 균열 발생 또는 소성 변형으로 재료 내부에서 탄성파가 발생한다[1-3]. 탄성파는 사용 하중을 받는 구조물의 손상을 모니터링하기 위하여 적용되는 비파괴방법이다. 많은 연구는 다양한 매개변수와 재료 손상과의 관계를 수행하였다[4,5]. 탄성파는 항복의 시작을 감지하고, 균열에 대한 응력확대계수와 관련이 있는 것으로 알려졌다[6-8].

최근 FFT(Fast Fourier Transform) matlab을 활용하여 탄성파의 탁월주파수를 결정하는 연구가 수행되고 있다[9,10]. 탁월주파수는 가장 많이 반복되는 진동 진폭이 최대인 신호의 주파수이다. 따라서 이러한 탁월주파수는 재료의 기계적 특성에 따라서 다르게 나타나므로, 특성의 파악은 구조물의 보수유지에 매우 유익할 것으로 판단되어, 다양한 재료 및 조건에 따르는 탄성파의 탁월주파수를 연구하였다[11-17].

스테인리스강은 퀜칭 냉각속도에 따라서 잔류오스테나이트 양이 달라지고,[18-20] 경도 저하, 치수 불안정 및 연마균열 등의 문제점이 나타난다. 이 문제를 해결하기 위하여 서브제로처리 (subzero treatment)하면, 마르텐사이트로 변태하여, 경도가 상승하여 내마모성이 향상된다[21-24].

그러나 서브제로 처리한 STS316L의 유지 보수의측면에서 파괴에 따르는 탄성파 특성을 연구한 것은 없다.

본 연구는 5가지의 압연율(0, 16, 33, 50, 66 및 80%)로 압연한 오스테나이트계 STS316L을 -50℃ 및 –196℃ 서브제로 온도에서 각각 10분, 30분 및 60분 서브제로 처리하였다. 기계적특성은서브제로 처리한 스테인리스강을 사용하여, 인장 강도, 연신율, 로크웰경도를 측정하였다. 또한 인장시험에서 발생하는 탄성파를 검출하여 시간-주파수 해석으로 탁월주파수를 조사하였다.

2. 재료 및 실험방법

2.1 시험편

재료는 열간 압연한 오스테나이트계 STS316L 로, 화학 조성을 Table 1에 나타낸다. STS316L은1,200℃로 가열 후에 강판으로 만들고, 1,050℃ 진공로에서 30분 열처리하고, 급랭하는 용체화 처리로 오스테나이트 상을 만들었다. 그리고 STS316L 은 상온에서 압연율 0∼80%로 두께 2mm 판재를 얻었다. 0∼80% 압연 재료는 서브제로 온도 –5 0℃ 및 -196℃에서 각각 10, 30, 60분간 서브제로 처리하였다.

Table 1 Chemical composition of STS316L (wt.%)

2.2 실험방법

시험편의 탄성파는 만능 인장시험기를 사용하여 크로스헤드 2mm/min로 인장하였다.

탄성파 검출 장비는 PXIE-4480으로, 500kHz 대역폭으로 동시에 샘플링된 아날로그를 입력할 수 있다. 탄성파는 28dB 전치증폭기로 증폭하였고, 1MHz 광대역 센서를 사용하였다. 탄성파는 인장 시험편의 중앙에서 대칭 거리에 부착한 2개의 센서에서 검출하였다. 검출한 탄성파는 랩뷰를 활용하여, 시간-주파수 분석하였다. 이때 시간-주파수 분석은 웨이블릿을 사용하였다. Fig. 1은 탄성파 검출 및 분석 흐름도이다.

Fig. 1 Flow chart of elastic wave analysis

3. 결과 및 고찰

Fig. 2는 대표적으로 서브제로 –50℃에서 10분간 처리한 압연율 33% 시험편의 인장시험에서 얻어진 파형, 주파수 스펙트럼 및 웨이블릿 해석 결과를 대표적으로 나타낸다. 각 그림에서 (a) 탄성파의 파형, (b) 주파수, (c) 웨이블릿에 의한 시간-주파수를 나타낸다.

Fig. 2 Frequency characteristic obtained from elastic wave of rolling degree 33% specimen treated at –50℃ during 10 minute. (a) Waveform of elastic wave, (b) Frequency and (c) Time- frequency by WT

Fig. 3은 서브제로 처리한 시험편의 압연율과 탁월주파수의 관계를 나타낸다. 그림에는 표준편차(І)도 나타내었다. 탁월주파수는 각 압연율에서 서브제로 온도가 낮고, 서브제로 처리시간이 길수록 높게 나타났다. 각 서브제로 온도에 대하여 살펴보면, –196℃가 –50℃보다 약간 높게 나타났다. 또한 각 서브제로 온도에서 시간이 증가하면 높게 나타났다.

Fig. 3 Relationship between rolling degree and dominant frequency of subzero treated specimen

Fig. 4는 서브제로 처리한 시험편의 인장강도와 탁월주파수의 관계를 나타낸다. 탁월주파수는 인장강도의 증가에 따라서 증가하여, 비례관계를 나타내었다. 인장강도는 동일 서브제로 온도에서 처리시간이 길수록 높게 나타났으며, 탁월주파수도 인장강도의 증가와 비슷하게 증가하였다. 인장강도는 압연율 0%에서 16%까지는 약간 증가하였으나, 탁월주파수는 인장강도 증가보다 높은 증가를 나타내었다. 그러나 압연율 33%의 인장강도는 0% 보다 약 43% 증가였으나, 탁월주파수의 증가폭은 작았다. 인장강도가 증가한 것은 압연 때문에 오스테나이트가 마르텐사이트로 많이 변태하였기 때문이다. 그러나 탁월주파수의 증가는 마르텐사이트 변태량과 관계있는 것으로 판단된다. 인장강도는 압연량 50%에서 약간 증가하였지만, 66% 및 80% 순으로 증가량이 많았다. 인장강도는 같은 서브제로 온도에서 시간이 길어짐에 따라서 증가하였고, 탁월주파수도 높게 나타났다. 이처럼 탁월주파수는 압연량이 증가하고, 서브제로 온도가 낮 고, 서브제로 시간이 길수록 높게 나타났다.

Fig. 4 Relationship between tensile strength and dominant frequency of subzero treated specimen

Fig. 5는 서브제로 처리한 시험편의 로크웰경도와 탁월주파수의 관계를 나타낸다. 탁월주파수는 인장강도와 같이 로크웰경도가 증가함에 따라서 높게 나타났다. 로크웰경도는 인장강도와 마찬가지로압연율 0%에서 16%까지 약간 증가하였으나, 압연율 33%의 로크웰경도는 매우 증가하였다. 그러나탁월주파수는 경도의 증가만큼 높지 않았다. 반면 압연율 50%, 66% 및 80%의 로크웰경도는 압연율보다 로크웰경도의 증가는 적지만, 탁월주파수는 높게 나타났다. 이와 같은 로크웰경도와 탁월주파수의 증가는 마르텐사이트 변태량과 관계있는 것으로 판단된다. 그러나 서브제로 온도 및 시간에 대한 탁월주파수는 큰 영향이 없는 것으로 판단된다.

Fig. 5 Relationship between Rockwell hardness and dominant frequency of subzero treated specimen

Fig. 6은 서브제로 처리한 시험편의 연신율과 탁월주파수의 관계를 나타낸다. 탁월주파수는 연신율이 감소함에 따라서 높게 나타났다. 연신율은 압연율이 증가함에 따라서 감소하고, 인장강도 및 로크웰경도는 증가하였다. 연신율이 감소하는 것은 마르텐사이트가 증가하는 것이고, 이에 비례하여 탁월주파수는 높게 나타났다. 탁월주파수는 연신율이 감소함에 따라서 약 10%까지는 직선적으로 증가하지만, 10% 이하의 연신율에서는 약간 증가하는 탁월주파수를 나타내었다. 한편 서브제로 온도 –50℃와 -196℃의 탁월주파수는 비슷한 대역을 나타내었으나, 각 서브제로 온도에서 시간이 증가함에 따라서 약간 높은 주파수를 나타내었 다. 연신율과 탁월주파수의 관계는 서브제로 –5 0℃ 시간의 주파수 대역이 –196℃보다 증가폭이 크게 나타났다.

Fig. 6 Relationship between elongation and dominant frequency of subzero treated specimen

Figs. 7과 8은 각각 압연율 33% 시험편을 서브제로 –50℃ 및 –196℃에서 10분 처리하여, 인장시험에서 얻어진 파형, 주파수 스펙트럼 및 웨이블릿 해석 결과를 나타낸다. 각 그림에서 (a) 탄성파의 파형, (b) 주파수, (c) 웨이블릿에 의한 시간-주파수를 나타낸다.

Fig. 7 Frequency characteristic obtained from elastic wave of rolling degree 33% specimen treated for at –50℃ during 10 minute. (a) Waveform of elastic wave, (b) Frequency and (c) Time- frequency by WT

Fig. 8 Frequency characteristic obtained from elastic wave of rolling degree 33% specimen treated for at –196℃ during 10 minute. (a) Waveform of elastic wave, (b) Frequency and (c) Time-frequency by WT

Fig. 9는 압연율 33% 시험편의 서브제로 온도및 시간에 대한 시간-주파수 해석에서 얻어진 탁월주파수 특성을 나타내었다. 탁월주파수는 서브제로 온도 –196℃가 서브제로 처리시간과 관계없이 -5 0℃보다 높은 대역을 나타내었다. 이러한 경향은 압연율이 다른 시험편에서도 비슷하게 나타났다.

Fig. 9 Relationship between dominant frequency and sub zero time of sub zero treated specimen with rolling degree 33%

4. 결론

본 연구는 5가지의 압연율(0, 16, 33, 50, 66 및 80%)로 압연한 STS316L을 2종류의 서브제로 온도(-50℃, -196℃)에서 각각 10분, 30분 및 60 분 서브제로 처리하여, 인장에서 발생하는 탄성파의 탁월주파수를 조사하였다. 얻어진 결과는 다음과 같다.

(1) 탁월주파수는 각 압연율에서 서브제로 온도가 낮고, 서브제로 처리시간이 길수록 높았 고, 인장강도 및 로크웰경도의 증가에 따라서 높게 나타났다. 반면 탁월주파수는 연신율의 감소에 따라서 높게 나타났다.

(2) 압연율 33% 시험편의 서브제로 온도 및 시간에 대한 시간-주파수 해석에서 탁월주파수는 서브제로 온도 –196℃가 서브제로 처리시간과 관계없이 –50℃보다 높게 나타났다.