Low temperature deformation behaviors of five cryogenic high-Mn alloys CAM-1 (Fe-30Mn-5Al-0.3C), CAM-2(Fe-25Mn-5Al-5Ni-0.3C), Cl(Fe-30Mn-1.2Al-0.1C), C3(Fe-30Mn-1.2Al-0.3C), and Fe-27Mn binary alloy [wt.%] have been investigated. Austenitic high-Mn alloys(CAM-1, CAM-2, Cl, and C3) show high strength and excellent ductility at low temperatures. Especially, CAM-1, CAM-2, and C1 alloys exhibit inverse elongation behaviors with decreasing temperature from room temperature to 77 K, which was attributed to gradual formation of strain-induced deformation twinning during tensile testing. The amount of deformation twins formed during plastic deformation was not the major factor for maximum elongation, but the optimum work hardening rate by the gradual formation of deformation twins played an important role. Alloy C3 shows a peak in elongation at the temperature between 233 K and 77K due to the optimum formation rate of deformation twinning (TRIP In the wide sense). Fe-27Mn binary alloy possessing the lower yield strength, compared to other austenitic high-Mn alloys, shows a high rate of work hardening in the plastic deformation region resulting in the high ultimate tensile strength. This Fe-27Mn alloy also exhibits a peak in elongation between RT and 77K. The peak elongation for the Fe-27Mn alloy was due to the rapid work hardening by the formation of $hcp \epsilon$ martensite. The volume fraction of $hcp \epsilon$ martensite formed in the Fe-27Mn alloy after tensile testing at 77 K was 86%.
Total strain-controlled low cycle fatigue testing of CAM-2 alloy showed that the fatigue resistance at 77 K was superior to that at room temperature in the entire fatigue life range tested. The reason exhibiting the longer fatigue life at 77 K than that at 298 K for the CAM-2 alloy was the significant increase in the fatigue ductility coefficient with decreasing temperature; $\epsilon_f^{‘}$ increased from 23% at RT to 54% at 77 K. The increase in the fatigue ductility coefficient was associated with the deformation twins formed during the fatigue testing. The formation of deformation twins at the tip of the fatigue crack slowed down the fatigue crack propagation by a blocking or blunting the crack.
The flow equation of $σ=K\epsilon^Nexp(M\epsilon)$ and the necking criterion of $\epsilon_u=N/(1-M)$ were proposed to describe the deformation behavior of these austenitic high-Mn alloys, in which deformation twinning occurred during tensile deformation. A more accurate model for the calculation of true uniform elongation of the austenitic high-Mn alloys which experience the diffusionless transformation during tensile deformation has been proposed, which is expressed as follows:
$\epsilon_u = \frac{N}{\displaystyle 1+ \frac{Φ^2_s f\displaystyle \frac{df}{d\epsilon}}{1 + Φ_s f}-M}$
This modified model has been applied to the CAM-1 and CAM-2 alloys, and the calculated values are in good agreement with the measured values.
The effect of stacking fault energy on deformation mode in Fe-27Mn binary alloy has been investigated. The intrinsic SFE in the Fe-27Mn alloy was estimated by direct observation of dislocation node, which was found to be about y=25±0.5(mJ/㎡) using the theory of Brown and Tholenat room temperature. On the basis of reported dependence of SFE on temperate, SFE for the Fe-27 Mn is about 8mJ/㎡ at 77K. The lower value of SFE at 77 K produced $hcp \epsilon$ martensite in the Fe-27Mn alloy, resulting in the rapid work hardening with the lowered temperature.
극저온에서도 우수한 강도와 파괴 인성을 겸비한 고망간계 합금이 극저온 구조용 재료로서 주목을 받기 시작한 것은 근래의 일이다. 기존의 극저온 구조용 재료인 9% 니켈 강은 조직의 대부분이 $\alpha{'}$ 마르텐사이트 이고 약간의 잔류 오스테나이트를 가지고 있어, 항복 강도는 우수하지만 연성-취성 천이 온도가 존재하여 -196℃ 근방에서는 충격 인성이 급격히 떨어지는 단점이 있다. 이러한 저온 충격 인성 저하를 방지하기 위한 많은 연구가 진행되어 왔으나 큰 진척은 없었으며, 많은 니켈 함유로 인한 경제성의 문제 및 $\alpha{'}$의 자기적 특성으로 극저온 구조용 재료로 응용시 그 한계가 있다. 또 하나의 극저온 재료인 304 계통의 스테인리스 강은 극저온에서도 우수한 인성을 갖는 fcc 조직으로 -269℃ 까지 사용가능하나 니켈과 크롬을 다량 함유하고 있으며 항복 강도가 낮기 때문에 새로운 극저온 재료의 개발이 요구되고 있다.
최근의 저온 구조용 재료의 개발 동향은 니켈, 크롬 등의 값비싼 원소의 첨가량을 줄이거나 없애는데 노력하고 있으며 따라서 오스테나이트계통의 스테인리스 강에서 니켈과 크롬을 각각 비슷한 성징을 갖는 망간과 알루미늄으로 대체하려는 연구가 활발히 진행되어 왔다. 본 연구실에서도 미량 합금 원소 첨가와 열간 제어 압연을 행하여 높은 강도와 우수한 인성을 나타내는 새로운 오스테나이트계 Fe-30Mn-5Al-0.3C-0.1Nb (wt. %) 합금을 개발한 바 있다. 고망간 합금의 제반 저온 기계적 성질은 온도와 합금 원소에 따른 오스테나이트의 안정화 정도에 큰 영향을 받기 때문에 본 연구에서는 오스테나이트 안정화 원소인 망간, 알루미늄, 니켈 그리고 탄소의 함량 변화에 따른 상변태 및 미세 구조 변화가 기계적 성질에 미치는 영향과 극저온에서의 재료의 변형 거동을 조사하였다. 그리고 변형 속도의 영향과 변형중 생성되는 변형유기상이 고망간 합금의 저온 기계적 성질에 미치는 영향도 연구하였다.
합금 원소의 함량 변화에 의해 오스테나이트의 안정화 정도가 서로 다른 5개의 합금계, 즉 CAM-2 (Fe-25Mn-5Al-5Ni-0.3C), CAM-1 (Fe-30Mn-5Al-0.3C), C3 (Fe-30Mn-1.2Al-0.3C), C1 (Fe-30Mn-1.2Al-0.1C) 그리고 이원계의 Fe-27Mn 합금에 대하여 합금 원소와 온도에 따른 기계적 성질을 조사하였다. 항복 강도와 인장 강도는 저온으로 갈수록 모든 합금에서 증가하였으며 특히 Fe-27Mn 의 경우 가공 경화 정도가 다른 합금에 비해서 월등히 큰데 이는 변형중 생성된 $\epsilon$ 마르텐사이트 때문이다. X-ray 실험 결과 -196℃에서 인장 실험후 균일하게 늘어난 부위의 $\epsilon$ 마르텐사이트 양은 86%로서 높은 가공 경화를 잘 설명해 주고 있다. 상온에서부터 -196℃의 온도 범위에서 CAM-1 및 CAM-2 합금은 저온으로 갈수록 연신율이 향상되는 역연성 현상을 보였다. 이러한 현상은 전자현미경을 이용한 미세 구조 분석 결과 미세 쌍정의 생성에의한 광의의 TRIP 현상임이 밝혀졌다. 그리고 Fe-27Mn 계 합금에서는 $\epsilon$ 마르텐사이트 생성에 의한 연신율의 peak가 $M_s$ 와 $M_d$ 사이에서 나타나는 전형적인 TRIP 현상이 나타났다. 합금 원소의 효과를 살펴보면 알루미늄이 첨가될수록 오스테나이트는 안정화 되어 연신율의 peak 점은 저온으로 이동하였으며, 탄소의 양이 증가되면 변형 쌍정의 생성 속도가 증가되어 연신율의 peak 가 고온으로 이동하였다. 구조용 재료로 응용시 중요한기계적 성질중의 하나인 저주파 피로 특성을 CAM-2 및 C3 합금에 대해 서 상온과 -196℃ 에서 실시하였다. 인장-압축 조건으로 응력을 가하면서 총 변형 진폭이 ±3.0% 범위내의 일정 변형량에서 나타나는 응력과 피로 수명을 조사하였다. 실험 결과 상온에서 보다는 -196℃ 에서 피로 수명이 월등히 향상되었으며 또한 변형 초기에 심한 가공 경화 현상이 나타났다. CAM-2 합금에서 저온 피로 수명의 증가는 피로 관계식을 이용하여 분석한 결과 피로 연성 계수 $\epsilon_f{‘}$ (fatigue ductility coefficient) 가 저온에서 크게 증가하기 때문이었다. 저온에서 피로 연성 계수의 증가는 인장 변형과 마찬가지로 저온 피로 변형중 생성되는 변형 쌍정에 의한 조직의 미세화에 기인한다.
연구된 합금계 중에서 저온 변형중 미세 변형 쌍정의 생성으로 기계적 성질이 우수하고 오스테나이트의 안정화도 상대적으로 높은 CAM-2 및 CAM-1 계 합금에 대해서 저온에서의 변형 거동을 이해하기 위한 새로운 변형 모델이 제시되었다. $\sigma = K \epsilon^N \exp(M\epsilon)$. 이 변형 모델은 재료의 가공 경화 정도를 실험적으로 측정하여 만든 것으로 기존 변형 모델의 변화된 형태이다. 여기서 K 와 N은 일반적으로 잘 알려진 재료 강도와 가공경화 지수이나 M은 온도에 따른 재료의 가공 유기 상변화의 정도에 의존하는 상수이다. 따라서 CAM-2 합금의 상온의 경우처럼 변형중 새로운 가공 유기상의 생성이 없을 경우에는 M의 값이 0이 되어 기존 Hollomon의 변형 관계식과 같게 된다. 이 변형 모델을 이용하여 진 균일 연신율 ($\epsilon_u$, true uniform elongation) 을 계산할 수 있으며 necking 이 인장 응력점에서 일어난다고 가정하면, $\epsilon_u = N/(l-M)$. 이 식을 이용하여 CAM-1 및 CAM-2 합금의 true uniform elongation 을 상온, -40℃, -100℃ 그리고 -196℃에서 계산하였으며 실제로 측정된 값보다 약간 높은 값을 보였다(over estimation). 이는 계산상의 약간의 오차 및 변형 쌍정 자체의 전단 변형을 고려하지 않았기 때문으로 생각된다. 제어 압연된 CAM-2 합금의 -196℃ 의 경우를 보면 계산된 값 41% 는 실제 측정된 값 39% 보다 약간 높은 값이나 실험 오차의 범위내로 간주할 수 있다. CAM-1 의 경우에도 각각 46% 와 43% 로 거의 비슷하다.
극저온 구조용 재료로서 이상적인 특성은 저온에서도 강도와 연신율 의 동시 증가이며 일반적인 금속 재료는 저온으로 갈수록 강도는 증가하기 때문에 저온에서의 연성 향상이 큰 관건이 된다. 이러한 측면에서 본 연구에서는 고망간 오스테나이트계 합금의 연신율에 대한 새로운 모델을 제시 하였다. 일반적으로 오스테나이트계 합금의 변형 기구는 오스테나이트가 안정화 됨에 따라 $\gamma→\alpha{'}, \gamma→\epsilon→\alpha{'}, \; \gamma→\epsilon$ 그리고 $\gamma→twin$ 으로 변하며, Fe-27Mn 합금의 경우 다른 합금에 비해 오스테나이트가 덜 안정화되어 -196℃ 에서 인장 실험할 경우 $\gamma →\epsilon$ 의 변태가 관찰되었고, CAM-1 및 CAM-2 합금은 오스테나이트의 안정화 정도가 상대적으로 높아 $\gamma→twin$의 변화만 변형중에 관찰되었다. 변형 쌍정이나 마르텐사이트 변태처럼 변형 유기상의 생성시에 확산을 동반하지 않는 경우에 대해서 다음과 같은 true uniform elongation model 을 제시하였다.
$\epsilon_u = \frac{N}{\displaystyle 1 + \frac{\phi^2_s f \displaystyle \frac{df}{d \epsilon}}{1 + \phi_s f}-M}$
여기서 $\phi_s$ 는 쌍정 생성시 동반되는 전단 변형이며 fcc 의 경우에는 0.707 이다. 그리고 f는 생성된 유기상의 양이며 $df/d\epsilon$ 는 변형에 따른 쌍정의 생성 속도이다. 이 새로운 true uniform elongation model 은 앞에서 제시한 단순한관계식에 쌍정의 생성량, 생성 속도 및 변태 전단 변형량을 고려한 경우로서 CAM-1 및 CAM-2 합금에 대해 적용해 본 결과 앞에서 over estimation 된 결과를 완전히 보정할 수 있었다. 즉, -196℃ 의 경우 실험 측정치와 계산된 결과는 잘 일치함을 알 수 있다.
극저온 구조용 CAM-2 합금에 대한 저온에서의 인장 성질이 변형중 생성되는 가공 유기 쌍정의 생성 속도와 양에 의존하므로 상온과 -196℃에서 변형 속도의 효과를 조사하였다. 변형 속도를 1.11×$10^{-4}$/sec 에서 1.11×$10^{-1}$/sec 까지 1000 배 변화시킨 경우의 인장 특성을 비교해 보았으며, 변형 속도가 가장 빠른 1.11×$10^{-1}$/sec 의 경우에 -196℃ 에서 연신율의 감소가 관찰되었다. 이러한 현상은 변형 속도가 빨라질수록 인장 변형시 생성된 열이 주위로 방산될 시간적 여유가 없어서 결과적으로 그만큼 높은 온도에서 실험한 결과를 가져와 연신율을 향상시키는 변형 쌍정이 적게 생성되었기 때문으로 생각된다. 상온에서는 변형 유기상이 생성되지 않으므로 변형 속도의 효과는 극히 미미했다.
본 연구에서 수행된 여러 합금중에서 Fe-27Mn 을 제외한 다른 합금은 모두 인장 실험 후에도 오스테나이트 단일상을 유지했으나 온도가 저하함에 따라 오스테나이트의 안정성은 떨어져 저온에서는 쌍정의 생성이 보다 용이해 졌다. 합금 조성과 온도에 크게 영향을 받는 오스테나이트의 안정성을 정량적으로 규명하기 위해서 system 을 이원계로 단순화 시키고 오스테나이트의 안정성을 많이 저하시킨 Fe-27Mn 계 합금에 대해여 적층 결함 에너지를 조사하였다. 적층 결함 에너지가 작을수록 완전 전위가 부분 전위로 분해될 가능성은 증가하고 적층 결함 면적이 증가하므로 오스테나이트의 안정성은 떨어진다고 할 수 있다. Fe-27Mn 합금에서 완전 전위가 분해되어 3개의 부분 전위들이 형성하는 triple node 를 전자 현미경을 이용하여 관찰하므로써 Brown 과 Tholen 의 이론으로부터 쉽게 적층결함 에너지를 구할 수 있다. Fe-27Mn 합금의 적층 결함 에너지는 상온에서 약 25 mJ/$m^2$ 으로서 일반적으로 저온에서 변형중 $\alpha{'}$ 마르텐사이트가 형성되는 304 계통의 스테인리스 강보다 약간 높은 값으로 -196℃ 의 변형중 $\epsilon$ 마르텐사이트가 형성되었다. 적층 결함 에너지는 온도가 높아 질수록 그리고 오스테나이트의 안정화 원소인 니켈, 망간, 알루미늄, 탄소등이 첨가될수록 증가한다.
