탄소와 질소가 첨가된 오스테나이트계 스테인리스 강의 홀-패치 계수와 수소 취성

Abstract

본 연구에서는 오스테나이트계 스테인리스 강에서 홀-패치 관계와 결정립 크기에 따른 수소 취성의 경향성에 대한 탄소와 질소의 효과를 고찰하였다. 이를 위해 15Cr15Mn4Ni 합금에 0.3 wt.%의 탄소와 질소가 첨가된 C3 와 N3 가 사용되었다. 두 합금은 공통적으로 다량의 어닐링 쌍정을 포함하고 있었다. 그래서 전위에 대한 쌍정의 장벽 효과를 고려하기 위해 유효 결정립 크기를 계산하여 정확한 홀-패치 계수를 계산하였다. 이로부터 C3 에 비해 N3 에서 홀-패치 계수가 더 큰 것이 확인되었다. 이는 탄소와 질소가 전위의 활주에 미치는 영향에서의 차이로 설명되었다. C3 와는 달리 N3 에서는 질소에 의해 전위의 교차 슬립이 억제된다. 그 결과 이웃한 결정립에서 새로운 전위의 형성이 어려워지기 때문에 N3 의 홀-패치 계수가 높은 것으로 판단된다. 결정립 크기에 따른 C3 와 N3 의 수소 취성의 경향성은 서로 반대되는 결과는 보였다. C3 에서는 결정립 크기가 증가함에 따라 수소 취성 민감도가 감소한 반면 N3 에서는 증가하였다. 우선 두 합금은 결정립 크기가 증가함에 따라 표면에서 발생한 균열의 개수는 감소하였다. 또한 C3 에서는 수소가 무작위로 분포한 반면 N3 에서 수소는 결정립계를 따라 집중적으로 분포하였다. 이로 인해 N3 에서는 C3 에 비해 결정립계의 결합이 수소로 인하여 약화된다. 그 결과 C3 는 균열의 깊이에 대한 결정립 크기의 효과는 미미하였던 반면 N3에서는 결정립의 크기가 증가할수록 균열은 결정립계를 따라 더 깊숙히 전파하였다. C3 에서는 결정립이 커짐에 따라 균열의 깊이는 차이가 없었지만 균열의 개수가 감소하여 수소 취성 민감도가 작아진 것으로 보인다. 그 반면 N3 에서는 결정립이 커짐에 따라 균열의 개수가 적어짐에도 불구하고 균열의 깊이가 더욱 깊어짐에 의해 수소 취성 민감도가 증가한 것으로 판단된다.

In this study, the effect of carbon and nitrogen on the tendency of hydrogen embrittlement according to grain size and the Hall-Petch relationship in austenitic stainless steels was investigated. Considering 15Cr15Mn4Ni steel as the base alloy, C3 and N3 containing 0.3 wt.% of carbon and nitrogen were used. The mechanical properties of each alloy were measured at various grain sizes. Two grain size conditions were selected for each alloy, and their sensitivity to hydrogen embrittlement was compared. Initially, both alloys contained a number of annealing twins. Therefore, the effective grain size was calculated to obtain an accurate Hall–Petch coefficient; its value was higher in N3 than in C3. The difference between the carbon and nitrogen effects on the Hall–Petch coefficient could be closely related to differences in the ease of cross-slip in dislocation. Nitrogen suppresses cross-slip by ensuring a short-range order. From the perspective of the dislocation pile-up model, it appears that when the cross-slip in dislocations is suppressed by nitrogen, the formation of new dislocations within the neighboring grains becomes difficult, thus increasing the Hall–Petch coefficient. Carbon and nitrogen also influenced the behavior and mechanism of hydrogen embrittlement. As the grain size increased, the sensitivity of hydrogen embrittlement decreased in C3, whereas it increased in vi the case of N3. In C3, segregation was observed at grain boundaries. Therefore, it was determined that hydrogen was charged through diffusion at the matrix and was distributed randomly throughout the hydrogen-affected zone. As a result, the crack depth was less affected by grain size; however, the number of cracks decreased as the area of the grain boundary decreased. Therefore, in C3, the hydrogen embrittlement sensitivity decreased as the grain size increased. In contrast, there was no segregation nor presence of precipitates at the N3 grain boundaries. Therefore, hydrogen was intensively distributed along the grain boundaries. Thus, as the N3 grain size increased, the crack propagated deeper along the grain boundary. As a result, in N3, as the grain size increased, the hydrogen embrittlement sensitivity increased