스테인레스의 특성(8)- 기계적 특성

4. 기계적 특성

스테인레스 강은 종종 내식성을 위해서 선택되지만, 동시에 건축 자재로 사용됩니다. ​따라서 강도, 고온 강도, 연성 및 인성 같은 기계적 특성도 중요합니다.

서로 다른 스테인레스 강의 기계적 특성의 차이는 아마도 아래 그림의 응력 변형률 곡선에서 가장 분명하게 보입니다. 오스테나이트 종류의 낮은 항복 강도와 우수한 연성은 높은 항복 강도와 인장 강도가 있지만, 마르텐사이트 스테인레스) 강의 연성은 낮은 것이 분명합니다. ​페라이트–오스테나이트계와 페라이트 강은 두 극단 사이에 있습니다.

페라이트 스테인레스 강은 일반적으로 오스테나이트 강보다 다소 높은 항복 강도를 가지며, ​반면에 페라이트–오스테나이트 강은 오스테나이트 밑 페라이트 강보다 훨씬 높은 항복 강도를 가집니다. ​페라이트 및 페라이트–오스테나이트 강의 연성은 비록 이면에서 다소 우수한 경우라 할지라도 동일한 정도의 강도입니다.

1) 실내 온도 특성

기계적 특성의 관점에서 볼 때, 스테인레스) 강은 각 그룹 내에서 유사한 성질을 갖는 4개의 그룹으로 나눌 수 있습니다: 오스테나이트, 페라이트–마르텐사이트, 페라이트, 마르텐사이트, 페라이트–오스테나이트. 아래의 표에서는 판 형태의 여러 스테인레스 강의 실온에서 일반적인 기계적 특성을 보여줍니다.

스트레스 값은 가장 가까운 10MPa로 반올림되었습니다. 표준 편차는 RP0.2, RP1.0, Rm의 경우 일반적으로 17~20MPa입고, A5의 경우 3%입니다.

(1) 마르텐사이트 및 페라이트–마르텐사이트 스테인레스 강

마르텐사이트 및 페라이트–마르텐사이트 스테인레스강은 강도가 강하고 열처리에 의해 강하게 영향을 받는다는 특징이 있습니다. 마르텐사이트 스테인레스강은 일반적으로 경화되고 템퍼링된 상태에서 사용됩니다. 이 조건에서 강도는 탄소 함량과 함께 증가합니다. 크롬 함량이 13% 이상 이고, 탄소 함량이 0.15% 이상인 스테인레스강은 경화 후 마르텐사이트입니다. ​탄소 함량이 감소하면 페라이트 함량이 증가하여 강도가 감소합니다.

마르텐사이트 스테인레스 강의 연성은 비교적 낮습니다. 페라이트– 마르텐사이트 스테인레스 강은 상대적으로 탄소 함량이 낮고 연성이 우수함에도 불구하고, 경화 및 열처리된 상태에서 높은 강도를 갖습니다. 또한 우수한 경화성을 가지고 있습니다. 심지어 두꺼운 부분도 완전히 경화될 수 있으며 우수한 기계적 성질을 유지합니다. 마르텐사이트 스테인레스 강의 기계적 성질은 강이 받는 열처리에 크게 영향을 받습니다.

마르텐사이트 스테인레스 강의 일반적인 열처리 및 기계적 특성에 대한 간략한 설명은 아래와 같습니다.

유용한 특성 형상을 얻기 위해, 마르텐사이트 스테인레스 강은 일반적으로 경화 및 템퍼링된 조건에서 사용됩니다. 경화 처리는 고온에서 가열하여 고용체에 탄소를 함유한 오스테나이트 구조를 생성 시킨 후 담금질하는 것으로 구성됩니다. 오스테나이트화 온도는 일반적으로 925~1070℃ 범위입니다. ​오스테나이트화 온도 및 시간이 경도 및 강도에 미치는 영향은 스테인레스 강의 조성, 특히 탄소 함량에 따라 달라집니다.

일반적으로 경도는 오스테나이트화 온도가 최대가 될 때까지 증가하고 감소합니다. ​오스테나이트화온도에서 증가된 시간의 효과는 일반적으로 시간의 증가는 완만한 경도의 감소입니다. ​오스테나이트화 후 담금질은 스테인레스 강 등급에 따라 공기, 오일 또는 물에서 이루어집니다. ​마르텐사이트 변형의 시작 온도인 Ms-온도 이하로 냉각하면 오스테나이트는 마르텐사이트로 변합니다.

Ms-온도는 300~700℃ 범위에 속하며, 변형은 Ms-온도보다 약 150~200℃ 낮습니다. ​거의 모든 합금 원소는 탄소가 가장 큰 영향으로 Ms-온도를 낮출 것입니다. ​이것은 고 합금의 마르텐사이트 등급에서 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 변형을 마무리하기 위해 필요한 저온(주변 온도보다 낮은 온도) 때문에 미세 조직이 잔류 오스테나이트를 함유한다는 것을 의미 합니다.

경화된 상태에서는 경도와 강도는 높지만 연성과 인성은 낮습니다. ​유용한 공학적 특성을 얻기 위해 마르텐사이트 스테인레스 강은 일반적으로 강화됩니다. ​사용된 템퍼링 온도는 스테인레스 강의 최종 특성에 큰 영향을 미칩니다. ​마르텐사이트 스테인레스 강(AISI 431)의 기계적 특성에 대한 템퍼링 온도의 영향은 상기 그림에 나와 있습니다.

일반적으로, 약 400℃ 이하로 템퍼링 온도를 증가시키면 경도, 연신율 및 항복 강도는 다소 영향을 받지 않지만, 인장 강도가 약간 감소하고 면적의 감소가 증가합니다. ​이 온도보다 높으면 약 450~500℃의 2차 경화 피크로 인해 항복 강도, 인장 강도 및 경도가 다소 증가합니다. 2차 경화 피크 부근의 온도 범위에서 일반적인 충격 인성 곡선에 일시적인 감소가 있습니다. ​약 500℃ 이상에서 강도와 경도가 급격히 감소하고 그에 따라 연성과 인성이 증가합니다.

(2) 페라이트 스테인레스 강

페라이트 스테인레스 강은 상대적으로 낮은 항복 강도를 가지면, 가공 경화는 제한적입니다. ​탄소 함량이 증가하면 강도는 증가하지만, 크롬 함량의 영향은 무시할 수 있습니다.​그러나 높은 크롬 수준에서 연성이 감소하고 양화한 연성은 매우 낮은 수준의 탄소 및 질소를 필요로 합니다.

(3) 페라이트–오스테나이트(듀플렉스) 스테인레스 강

페라이트–오스테나이트(듀플렉스) 스테인레스 강은 탄소 및 질소 수준이 증가함에 따라 높은 항복 응력을 가집니다. 증가된 페라이트 함량은 한계 내에서 듀플렉스 스테인레스 강의 강도를 증가시킵니다. 그것의 연성은 좋으며 강한 가공 경화를 나타냅니다.

(4) 오스테나이트 스테인레스 강

오스테나이트 스테인레스 강은 일반적으로 상대적으로 낮은 항복 응력을 가지며 강한 가공 경화의 특징을 가지고 있습니다. 오스테나이트 스테인레스 강의 강도는 탄소, 질소 및 어느 정도까지 몰리브덴의 수준이 증가함에 따라 증가합니다. ​내 부식성에 대한 탄소의 해로운 영향은 이 요소가 강도를 높이는 데 사용될 수 없다는 것을 의미합니다. ​오스테나이트 스테인레스 강은 매우 높은 연성을 나타내며, 높은 연신율을 가지고 매우 견고합니다.

합금 원소의 총 함량이 낮은 일부 오스테나이트 스테인레스 강인 301 및 304는 준 안정형일 수 있고, 주변 온도 이하로 냉각되거나 또는 냉간 변형 또는 둘의 조합을 통해 마르텐사이트를 형성할 수 있습니다. 아래의 그림에서 볼 수 있듯이 마르텐사이트가 형성되면 강도가 크게 증가합니다.

α′ 마르텐사이트가 형성되는 온도는 Md 온도라고 부릅니다. ​오스테나이트의 안정성은 조성에 따라 다르며,합금 성분의 함량이 높을수록 안정적 일 것입니다. ​오스테나이트 안정성과 합금 조성을 위한 일반적인 방정식은 Md30이며, 이는 마르텐사이트가 30% ​변형률에서 형성되는 온도로 정의됩니다.

Md30 = 551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu)-18.5Mo-68Nb-1.42(GS-8.0) (℃)
여기서 GS = 입자 크기, ASTM 입자 크기 번호

이러한 유형의 방정식은 결핍된 오스테나이트 스테인레스) 강의 행동을 보여주며, 합금 원소간의 상호 작용은 고려되지 않았으므로 단지 근사치라는 점에 유의해야 합니다.

오스테나이트 및 페라이트–오스테나이트 스테인레스 강의 강도에 합금 원소 및 구조가 미치는 영향은 다음 회귀 방정식에서 명백합니다.

여기에서 N, Mn 등은 합금 원소의 수준을 wt%로 나타냅니다. δ는 페라이트 함유량(%)입니다. d는 입자 크기(mm)입니다.  이러한 회귀 방정식은 불확실성이 약 20MPa인 오스테나이트 및 페라이트 스테인레스강의 강도를 평가하는 데 사용할 수 있습니다. 구조용 강과 달리 오스테나이트 스테인레스 강은 명확한 항복 응력을 나타내지 않지만 Rp0.2의 약 40%의 응력에서 소성 변형을 시작합니다.

다양한 요소가 다소 간단한 표현을 통해 방정식에 포함되지만, 실제 강화 메카니즘은 더 복잡할 수 있습니다. 크롬과 질소는 모두 처음에 보이는 것보다 더 복잡한 효과를 냅니다. 20%를 초과하는 크롬 함량에서 10% Ni를 함유한 오스테나이트 스테인레스 강은 d-페라이트를 함유하게 되고, 그 결과 작은 입자 크기가 생겨 항복 강도와 인장 강도를 증가합니다. ​질소는 강한 강화 효과를 갖는 원소이지만 강력한 오스테나이트 안정제이기도 합니다.

​듀플렉스 스테인스텐레스 강에서는 질소 첨가에 의한 오스테나이트 함량의 증가로 인해질소 강화 효과가 어느 정도 상쇄됩니다.스테인레스) 강은 변형 중에 경화됩니다. 경화량은 강철의 조성과 종류에 따라 달라집니다. ​가공 경화 지수(n)은 다음과 같이 정의됩니다.

σ = K · εⁿ

여기서 σ와 ε는 각각 실제 응력으로 경화하는 경향을 간단하게 측정할 수 있습니다. ​페라이트 스테인레스 강은 약 0.20의 가공 경화 지수(n)을 갖습니다. ​오스테나이트 스테인레스 강의 경우 가공 경화 지수는 변형률에 따라 다릅니다. ​안정한 등급의 경우 0.4~0.6 범위에 있으며, 불안정한 등급의 경우, 즉 큰 변형에서 마르텐사이트를 형성하는 경우 0.4내지 0.8 범위에 속합니다. 높은 값은 높은 변형에서 가능합니다. ​니켈, 구리 및 질소는 가공경화를 감소시키는 경향이 있습니다. 대부분의 다른 요소는 가공 경화를 증가시킵니다.