Laser powder bed fusion 공정으로 제조된 Fe-16Mn-10Al-5Ni- 0.86C 경량 철강의 미세조직, 인장·충격·고주기 피로 특성에 미치는 후열처리의 영향

초록

본 연구에서는 LPBF 공정을 이용하여 오스테나이트계 Fe-16Mn-10Al-5Ni-0.86C (wt.%) 경량철강을 적층 제조하고 미세조직과 인장, 충격 및 고주기 피로 특성에 미치는 후열처리의 영향에 대해 조사하였다. 먼저, Archimedes 원리를 이용하여 As-built재의 밀도를 측정한 결과 6.84g cm-3로 일반적인 철강(7.86 g cm-3)의 87.0% 수준을 나타내었다. 후열처리는 조건이 다른 두 가지 방식들(A30 및 DT)으로 수행하였다. 초기 미세조직을 EBSD(electron backscatter diffraction)를 활용하여 상분석한 결과 molten pool boundary에서 blocky BCC (B2)상이 평균 2μm 크기를 가지며 18.5%의 분율로 존재하고 있었다. 한편, molten pool 내부는 오스테나이트 상으로 구성되어 있었다. 소둔을 시행한 후 BCC(B2)상의 평균 크기는 4.1μm로 증가하였으며, 분율 또한 31.1%로 증가하였다. 반면, DT소재의 경우 오스테나이트와 BCC(B2) 상 경계에서 κ-carbide((Fe,Mn)3AlC)가 관찰되었다. 초기변형률 10-3 s-1 조건으로 상온에서 인장 시험한 결과 As-built재의 항복강도는 1.21GPa, 연신률은 22.42%; A30재의 항복강도는 1.04GPa, 연신률은 9.52%; 그리고 DT재의 항복강도는 1.33GPa, 연신률은 11.36%로 측정되었다. 인장 변형 후 조직 관찰 결과 BCC(B2)와 오스테나이트의 상 경계에서 KAM (kernel average misorientation) value가 높게 분석되었으며 BCC(B2)의 크기와 분율이 인장 특성을 좌우하는 것으로 사료된다. 한편 상온 충격 시험은 ASTM 2248에 따라 수행되었다. 그 결과 As-built재가 가장 우수한 충격 특성을 나타냈으며(9.31 J/cm2) A30소재(6.22 J/cm2)와 DT소재(3.92 J/cm2)는 As-built 대비 충격 에너지 흡수량이 감소하였다. 충격 시험 후 파단면 관찰 결과 BCC(B2)와 κ-carbide((Fe,Mn)3AlC)의 상 경계를 따라 균열이 관찰되었다. 상온 고주기 피로 시험의 경우 R=0.1, 20Hz 조건 하에서 수행되었으며, 피로한(fatigue limit)은 항복 강도의 30% 수준에서 확인되었다. 상기 결과들을 바탕으로 LPBF 공정으로 제조한 Fe-16Mn-10Al-5Ni-0.86C 경량 철강의 인장·충격·고주기 변형 거동에 대해서도 함께 고찰하였다.