Low carbon low alloy steels, used as nuclear pressure vessels, steam generators and so on, hold a large portion of materials for nuclear power plants, and they are very important materials since they determine the safety and the life span of nuclear power plants. In addition, they are utilized for a long period under very severe conditions such as a high pressure, high temperature, neutron irradiation and corrosion, so they need a good combination of strength and toughness, a good weldability and an excellent neutron irradiation resistance and so on. Mn-Mo-Ni steel shows the upper bainite microstructure, which is a less tough, so the steel is more difficult to obtaingood toughness than to have good strength. And then, if a loss of toughness due to a neutron irradiation during service is considered, above all improving the toughness is important when a pressure vessel is fabricated.
It is known that a higher strength and fracture toughness of low alloy steels could be achieved by increasing the Ni and Cr contents. In this study, we have performed a thermodynamic calculation based on the microstructure of Ni-Mo-Cr low alloy steel which has higher Ni and Cr contents than Mn-Mo-Ni low alloy steel.
Thermodynamic calculation is well-known efficient method for alloy design. Microstructure changes, such as ferrite formation or carbide precipitation are easily predicted by thermodynamic calculation, and also estimate the mechanical properties based on the microstructure/property relations obtained from literature research. In this study, the microstructure and phase stability changes of Ni-Mo-Cr low alloy steel were systematically investigated.
In the calculation of Ni-Mo-Cr low alloy steels, ferrite formation temperature were decreased with increasing nickel contents due to austenite stabilization effect. However, it does not affects the obvious microstructure change. And also, nickel does not affects the carbide formation. Therefore, nickel does not affects the microstructure variation.
From the thermodynamic calculation result, a high chromium content steel precipitates the carbides such as $M_{23}C_6$ and $M_7C_3$ well, which suppresses the coarsening of the carbides. On the other hand, carbide coarsening is observed in low chromium content steel, which lowers the fracture toughness, due to unstabled carbide phases. Besides, a high molybdenum content steel precipitates the $M_2C$ in the low temperature, which is a small needle type carbide.
Also, microstructure observation and mechanical tests were performed on Ni-Mo-Cr low alloy steel with different nickel, chromium and molybdenum contents. From the mechanical test result, a high nickel (4.5wt\%) content steel shows both the highest tensile strength and best Charpy impact property. This result is caused by a solid solution hardening effect. Similar tendency is observed in the high molybdenum steel, which is strengthen by the solid solution hardening and precipitation hardening effect. The carbide distribution is changed by changing the chromium contents. Also, in the low chromium steel, relatively large carbide is observed in a transmission electron microscope, which brings about a drop of the charpy impact property of Ni-Mo-Cr low alloy steel.
현재 국내외 원자로 압력용기용 소재로는 Mn-Mo-Ni계 저합금강이 널리 사용되고 있다. 하지만 원자로의 대형화에 따른 차세대 원자로 압력용기용 재료에서는 이러한 Mn-Mo-Ni계 저합금강보다 상대적으로 우수한 강도가 요구되고 있고, 또한 중성자 조사에 의한 추가적인 인성 손실을 감안한다면, 제조시점에서 최대한 높은 인성을 확보하는 것이 요구되어진다. 따라서 최근에는 파괴인성을 향상시키기 위해 Ni과 Cr함량을 증가시킨 Ni-Mo-Cr계 저합금강에 대한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 ASME의 Spec.의 Gr.4N 합금조성 범위 내에서 기준 시합금과 Ni, Cr, Mo의 조성을 변화시킨 7개의 저합금강 모델합금에 대하여 Thermocalc. 프로그램을 이용한 열역학 계산을 수행하였고, Ni-Mo-Cr계 저합금강의 합금원소의 조성변화에 따른 미세조직을 관찰하였다. 또한 기계적 특성 변화를 고찰하기 위하여 각각의 모델합금의 인장 및 충격특성을 평가하였다. Ni 함량을 변화시킨 저합금강의 경우, Ni 함량이 증가함에 따라 조직이 미세해지는 것을 관찰하였고, 또한 Ni 함량이 증가하였을 때 기준강에 비해 항복 강도는 100Mpa 정도 증가하고 또한 연성취성 천이온도가 25℃ 정도 감소하여 강도와 인성이 향상되는 것을 확인하였다. Cr 함량을 변화시킨 저합금강의 경우 석출되는 Cr계 탄화물의 안정온도범위의 변화가 일어나는 것을 열역학 계산을 통해 확인하였고, 또한 Cr 함량이 감소함에 따라 상대적으로 조대한 탄화물이 불균일하게 석출되는 것을 관찰하였다. Cr함량 변화에 따른 기계적 특성의 변화는, Cr 함량이 변화함에 따른 인장 특성의 변화는 10Mpa 이하로 미비하였으나, Cr 함량이 기준강에 비해 0.8wt\% 감소한 시합금 Cr1의 경우 천이온도가 기준강에 비해 60℃ 정도 증가하였고, 상부흡수에너지 또한 30J 정도 감소하여 인성의 저하되는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 Ni-Mo-Cr계 저합금강의 합금 원소 첨가량을 고려하였을 때, Ni, Cr 함량이 높을수록 강도와 인성이 향상되는 것으로 판단된다. 반면 Mo의 경우 함량이 증가할수록 강도는 증가되었으나, 이에 따른 인성의 저하가 관찰되었다.
