본 연구에서는 high strength 및 high toughness steel을 생산 가능한 novel- and effective process인 direct-quenching (DQ) process로 steel plate를 제조 및 개발하였다. DQ processed steel의 미세조직 및 기계적 특성을 조사하였으며, 기계적 특성 향상 방안을 제시하고자 했다.
먼저, conventional process인 re-austenitizing/quenching (RA/Q) process로 steel plate를 제조하고 미세조직 관찰 및 기계적 특성을 평가하였다. 상기 RA/Q steel plate는 DQ process의 영향을 알아보기 전에 수행된 기초 data이다. 즉 RA/Q가 수행됨에 따라 변하는 미세조직이 기계적 특성에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 조사하고 변형 거동을 규명하고자 하였다. 따라서 RA/Q steel plate의 martensite/bainite (M/B) 조직을 제어하기 위해 tempering을 수행하였고 본 연구에서 의도적으로 M/B의 상 분율 차이를 두기 위해 soaking 횟수 차이를 주었다. Soaking 횟수는 A 합금 2회, B 합금 1회로 수행했다. 또한 이번 연구에서 M/B 상 분율을 electron back-scatter diffraction (EBSD) 분석을 이용해 정량적으로 분석하는 방법에 대해서도 제시하고자 했다.
다음으로 DQ process 조건 중 하나인 reduction rate의 차이를 두어 steel plate를 제조하였으며 상기 steel plate의 미세조직 및 기계적 특성을 조사하였다. DQ processed steel plate는 auto-tempering 효과로 인해 tempering을 수행하지 않았음에도 불구하고 tempered martensite (TM) 및 bainite를 가지는 것으로 나타났다. 그러나 steel plate 표면 부위 (near surface region: NSR)는 가압 수가 바로 가해지는 영역으로 martensite만이 존재했다. 즉 DQ processed steel plate는 auto-tempering으로 인해 NSR과 center region (CR)이 다른 미세조직을 가지는 것으로 이해될 수 있다.
이와 함께, 본 연구에서는 DQ processed steel의 강도 및 연신율을 동시에 향상시킬 수 있는 방안을 제시하고자 했다. DQ processed steel은 tempering을 수행하지 않아도 산업에 사용이 가능한 공정이나 소재 내부에 존재하는 retained austenite는 변형 시 strain induced martensitic transformation (SIMT)가 야기되어 ductility가 저하될 수 있다. 따라서 상기 단점을 보완하기 위해 본 연구에서 low-temperature tempering (200℃)을 수행해보았다. 그 결과 200℃에서 tempering을 수행한 소재는 tempering을 수행했음에도 불구하고 as-DQ processed steel에 존재하는 dislocation이 그대로 유지되었다. 또한 tempering이 수행됨에 따라 nano size의 MC-type carbide들이 생성되었고 retained austenite가 reverted austenite로 변화한 것을 확인했다. 이는 as-DQ processed steel plate 내부에 존재하는 high density의 dislocation에 의한 것으로 판단되며, low-temperature tempering이 DQ processed steel에 효과적임을 확인했다.
마지막으로 DQ 공정으로 제조된 소재를 base metal로 사용하여 welding을 수행하였다. 약 2 GPa 급 고강도인 DQ processed steel을 welding 하는 것은 한계가 있다. 이는 base metal에 고용되어 있는 Mn 등이 prior austenite grain boundary에 segregation 되며, elements의 segregation에 의해 diffusion-less martensite transformation이 어려워 brittle한 martensite-austenite (MA) 상이 생성될 수 있기 때문이다. 그러나 본 연구에서는 gas metal arc welding (GMAW)을 이용하고 weld metal의 Ni 함량을 높여 고강도인 DQ processed steel의 welding을 수행하고 결함 없이 잘 제조하였다. 이와 함께, Ni 함량에 따라 welding 소재의 미세조직적 차이 및 기계적 특성 변화를 알아보고자 하였으며, 초 고강도인 DQ processed steel의 용접이 가능함을 확인했다.