고강도 저합금강

고강도 저합금강(, HSLA)은 탄소강보다 더 나은 기계적 특성 또는 더 큰 내식성을 제공하는 일종의 특수강이다. HSLA강은 특정 화학적 조성보다는 특정 기계적 특성을 충족시키기 위해 만들어진다는 점에서 다른 강과 다르다. 이들은 성형성과 용접성을 유지하기 위해 0.05에서 0.25% 사이의 탄소 함량을 가진다. 다른 합금 원소로는 최대 2.0%의 망가니즈와 소량의 구리, 니켈, 나이오븀, 질소, 바나듐, 크로뮴, 몰리브데넘, 타이타늄, 칼슘, 희토류 원소, 또는 지르코늄이 포함된다. 구리, 타이타늄, 바나듐 및 나이오븀은 강도 향상을 위해 첨가된다. 이러한 원소들은 일반적으로 페라이트-펄라이트 집합체인 탄소강의 미세구조를 변경하여 거의 순수한 페라이트 기지 내에 합금 탄화물의 매우 미세한 분산을 생성하는 것을 목표로 한다. 이는 펄라이트 부피 분율의 인성 감소 효과를 제거하면서도 결정립 크기를 미세화하여 재료의 강도를 유지하고 증가시키는데, 페라이트의 경우 평균 결정립 직경이 절반으로 줄어들 때마다 항복 강도가 50% 증가한다. 시효 경화도 작은 역할을 한다. 항복 강도는  사이일 수 있다. 높은 강도와 인성 때문에 HSLA강은 탄소강에 비해 성형하는 데 25~30% 더 많은 에너지가 필요하다.

구리, 실리콘, 니켈, 크로뮴, 인은 내식성을 높이기 위해 첨가된다. 지르코늄, 칼슘, 희토류 원소는 성형성을 높이는 황화물 개재물 형상 제어를 위해 첨가된다. 이는 대부분의 HSLA강이 방향에 민감한 특성을 가지기 때문에 필요하다. 성형성과 충격 강도는 결정립에 대해 길이 방향과 횡방향으로 시험할 때 크게 달라질 수 있다. 길이 방향 결정립에 평행한 굽힘은 인장 하중을 받기 때문에 바깥쪽 모서리 주변에서 균열이 발생하기 쉽다. 이러한 방향성은 황화물 형상 제어를 위해 처리된 HSLA강에서 상당히 감소한다.

이들은 자동차, 트럭, 크레인, 교량, 롤러코스터 및 많은 응력을 처리하도록 설계되거나 우수한 강도-중량비가 필요한 기타 구조물에 사용된다. HSLA강 단면과 구조물은 일반적으로 동일한 강도의 탄소강보다 20~30% 가볍다.Degarmo, p. 116.Same density as carbon steel, see next paragraph

HSLA강은 또한 펄라이트가 없기 때문에 대부분의 탄소강보다 녹에 더 강하다. 펄라이트 내 페라이트(거의 순수한 철)와 시멘타이트의 미세한 층이다. HSLA강은 일반적으로 약 7800 kg/m3의 밀도를 가진다.

군용 장갑판은 대부분 특수강으로 만들어지지만, 소화기에 대한 일부 민간용 장갑은 현재 극저온 담금질을 거친 HSLA강으로 만들어진다.

 분류 
 내후성강: 내식성이 더 좋은 강철. 일반적인 예는 COR-TEN이다.
 제어 압연강: 고도로 변형된 오스테나이트 구조를 가지며 냉각 시 매우 미세한 등축 페라이트 구조로 변형되는 열간 압연강.
 펄라이트 감소강: 탄소 함량이 낮아 펄라이트가 거의 없거나 전혀 없지만, 매우 미세한 결정립 페라이트 기지를 가지는 강철. 시효 경화에 의해 강화된다.
 침상 페라이트강: 매우 미세하고 고강도의 침상 페라이트 구조, 매우 낮은 탄소 함량, 우수한 경화능이 특징인 강철이다.
 이중상강: 마르텐사이트의 작고 균일하게 분포된 부분을 포함하는 페라이트 미세구조를 가진 강철이다. 이러한 미세구조는 강철에 낮은 항복 강도, 높은 가공 경화율, 우수한 성형성을 제공한다.
 미세 합금강: 나이오븀, 바나듐 및 타이타늄을 매우 소량 첨가하여 미세한 결정립 크기 및 시효 경화를 얻는 강철.

일반적인 미세 합금강 유형은 개선된 성형성을 가진 HSLA강이다. 이는 최대 의 항복 강도를 가지지만, A36 강()보다 24%만 더 비싸다. 이 강철의 단점 중 하나는 연성이 30~40% 낮다는 것이다. 미국에서는 이러한 강철이 시트 금속의 경우 ASTM 표준 A1008/A1008M 및 A1011/A1011M, 판재의 경우 A656/A656M에 의해 규정된다. 이 강철은 강도를 잃지 않고 무게를 줄이기 위해 자동차 산업을 위해 개발되었다. 사용 예로는 도어 침투 빔, 섀시 부재, 보강 및 장착 브래킷, 조향 및 서스펜션 부품, 범퍼 및 휠이 있다.

 SAE 등급 
자동차 기술자 협회 (SAE)는 자동차 응용 분야에서 자주 사용되기 때문에 HSLA강 등급에 대한 표준을 유지한다.

+ SAE HSLA 강철 등급 조성Oberg, pp. 440-441. 등급  탄소 % (최대)  망가니즈 % (최대)  인 % (최대)  황 % (최대)  실리콘 % (최대)  비고 942X  0.21  1.35  0.04  0.05  0.90  나이오븀 또는 바나듐 처리 945A  0.15  1.00  0.04  0.05  0.90  945C  0.23  1.40  0.04  0.05  0.90  945X  0.22  1.35  0.04  0.05  0.90  나이오븀 또는 바나듐 처리 950A  0.15  1.30  0.04  0.05  0.90  950B  0.22  1.30  0.04  0.05  0.90  950C  0.25  1.60  0.04  0.05  0.90  950D  0.15  1.00  0.15  0.05  0.90  950X  0.23  1.35  0.04  0.05  0.90  나이오븀 또는 바나듐 처리 955X  0.25  1.35  0.04  0.05  0.90  나이오븀, 바나듐 또는 질소 처리 960X  0.26  1.45  0.04  0.05  0.90  나이오븀, 바나듐 또는 질소 처리 965X  0.26  1.45  0.04  0.05  0.90  나이오븀, 바나듐 또는 질소 처리 970X  0.26  1.65  0.04  0.05  0.90  나이오븀, 바나듐 또는 질소 처리 980X  0.26  1.65  0.04  0.05  0.90  나이오븀, 바나듐 또는 질소 처리

+ SAE HSLA 강철 등급의 기계적 특성Oberg, p. 441. 등급  형태  항복 강도 (최소) [psi (MPa)]  인장 강도 (최소) [psi (MPa)] 942X  4인치까지의 판, 형상 및 봉  42,000 (290)  60,000 (414) 945A, C  시트 및 스트립  45,000 (310)  60,000 (414) 판, 형상 및 봉:   0–0.5인치  45,000 (310)  65,000 (448) 0.5–1.5인치  42,000 (290)  62,000 (427) 1.5–3인치  40,000 (276)  62,000 (427) 945X  1.5인치까지의 시트, 스트립, 판, 형상 및 봉  45,000 (310)  60,000 (414) 950A, B, C, D  시트 및 스트립  50,000 (345)  70,000 (483) 판, 형상 및 봉:   0–0.5인치  50,000 (345)  70,000 (483) 0.5–1.5인치  45,000 (310)  67,000 (462) 1.5–3인치  42,000 (290)  63,000 (434) 950X  1.5인치까지의 시트, 스트립, 판, 형상 및 봉  50,000 (345)  65,000 (448) 955X  1.5인치까지의 시트, 스트립, 판, 형상 및 봉  55,000 (379)  70,000 (483) 960X  1.5인치까지의 시트, 스트립, 판, 형상 및 봉  60,000 (414)  75,000 (517) 965X  0.75인치까지의 시트, 스트립, 판, 형상 및 봉  65,000 (448)  80,000 (552) 970X  0.75인치까지의 시트, 스트립, 판, 형상 및 봉  70,000 (483)  85,000 (586) 980X  0.375인치까지의 시트, 스트립 및 판  80,000 (552)  95,000 (655)

+ SAE HSLA 강철 등급의 다양한 특성 순위Oberg, p. 442. 순위  용접성  성형성  인성 최악  980X  980X  980X  970X  970X  970X 965X  965X  965X 960X  960X  960X 955X, 950C, 942X  955X  955X 945C  950C  945C, 950C, 942X 950B, 950X  950D  945X, 950X 945X  950B, 950X, 942X  950D 950D  945C, 945X  950B 950A  950A  950A 최고  945A  945A  945A

 HSLA강의 제어 압연 
 메커니즘 
제어 압연
섬네일|다른 제어 압연 단계에서의 미세구조 변화.
제어 압연은 정밀하게 제어된 온도에서 압연하여 오스테나이트 기지에 페라이트 핵 생성 부위를 많이 도입함으로써 강철의 결정립을 미세화하여 강철의 강도를 증가시키는 방법이다. 제어 압연에는 세 가지 주요 단계가 있다:

재결정 영역에서의 변형. 이 단계에서 오스테나이트는 재결정되고 미세화되어 이후 단계에서 페라이트 결정립의 미세화를 가능하게 한다.
비재결정 영역에서의 변형. 오스테나이트 결정립은 압연에 의해 신장된다. 밴드 내에 변형 밴드가 나타날 수도 있다. 신장된 결정립계와 변형 밴드는 모두 페라이트 핵 생성 부위이다.
오스테나이트-페라이트 2상 영역에서의 변형. 페라이트가 핵을 형성하고 오스테나이트는 더욱 가공 경화된다.

강화 메커니즘

제어 압연된 HSLA강은 다양한 강화 메커니즘의 조합을 포함한다. 주요 강화 효과는 결정립계 강화에서 오는데, 여기서 강도는 결정립 크기가 감소함에 따라 증가한다. 다른 메커니즘으로는 고용 강화와 미세 합금 원소로부터의 석출 강화가 있다. 강철이 오스테나이트-페라이트 영역의 온도를 통과한 후, 가공 경화에 의해 추가적으로 강화된다.

 기계적 특성 
제어 압연된 HSLA강은 일반적으로 높은 강도와 인성을 가지며, 낮은 연성-취성 전이 온도 및 연성 파괴 특성을 가진다. 아래는 기계적 특성을 개선하는 데 사용되는 몇 가지 일반적인 미세 합금 원소이다.

미세 합금 원소의 영향

나이오븀: Nb는 재결정 온도를 약 100 °C 증가시킬 수 있어, 비재결정 영역을 확장하고 결정립 성장을 늦춘다. Nb는 석출 강화 및 결정립 미세화를 통해 강도와 인성 모두를 증가시킬 수 있다. 또한, Nb는 강한 탄화물/질화물 형성 원소이며, 형성된 Nb(C, N)은 오스테나이트-페라이트 전이 동안 결정립 성장을 방해할 수 있다.

바나듐: V는 석출 강화를 통해 강도와 전이 온도를 크게 증가시킬 수 있다.

타이타늄: Ti는 결정립 미세화와 석출 강화를 통해 강도를 약간 증가시킨다.

Nb, V, Ti는 HSLA강의 세 가지 일반적인 합금 원소이다. 이들은 모두 좋은 탄화물 및 질화물 형성 원소이며, 형성된 석출물은 결정립계를 고정하여 결정립 성장을 방지할 수 있다. 또한 이들은 모두 페라이트 형성 원소로서 오스테나이트-페라이트 2상 영역의 전이 온도를 증가시키고 비재결정 영역을 감소시킨다. 비재결정 영역의 감소는 변형 밴드 및 활성화된 결정립계의 형성을 유도하며, 이는 결정립계 외에 대체 페라이트 핵 생성 부위가 된다.

다른 합금 원소는 주로 실리콘, 망가니즈, 크로뮴, 구리 및 니켈을 포함한 고용 강화를 위한 것이다.

 각주 

 출처 
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분류:장갑 (군사)