KR20100082675A - 모재의 수소손상 평가방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모재의 수소손상 평가방법에 관한 것이다. 본 발명은 동일한 재질 및 형상의 제1 및 제2시험편의 표면에 전기분해를 통해 수소를 침투시키는 제1단계와, 펀칭장치를 이용하여 제1시험편의 물성값을 측정하고 분석기를 이용하여 제2시험편의 수소농도를 측정하는 제2단계, 그리고, 상기 제2시험편의 수소농도의 변화에 따른 상기 제1시험편의 물성값의 변화를 평가하는 제3단계를 포함하여 구성된다. 이때, 상기 제1단계 내지 제3단계는 상기 제1단계의 전기분해 조건을 달리하여 반복수행된다. 그리고, 상기 제1 및 제2시험편은 얇은 금속의 판상으로 형성된다.

수소취화, 전기분해, 인장강도

Description

모재의 수소손상 평가방법{Method for evaluationg of Hydrogen damage of material using punching device}

본 발명은 수소손상 평가방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 펀칭장치를 이용하여 고압의 수소분위기 내에서 수소에 의한 재료의 손상정도를 평가하기 위한 것이다.

최근 석유에너지의 고갈에 대한 우려 및 친환경에너지에 대한 관심으로 인해 대체연료의 개발이 가속화되고 있다. 이러한 대체에너지 중에는 수소도 포함되는데, 최근에는 수소를 연료로 하는 내연기관이 내장된 자동차 등이 개발되고 있다. 또한 수소연료전지를 비롯하여 각종 수소를 이용한 에너지원의 연구가 활발하게 진행되고 있다.

그러나 이러한 수소는 수소를 이용하기 위한 장치의 재료, 특히 금속재료에 손상을 입힌다는 문제점이 대두되고 있다. 이러한 수소에 의한 재료의 손상을 수소취화(水素脆化, hydrogen embrittlement) 또는 수소취성이라 하는데, 수소취화는 수소가 금속조직 내부로 침투 및 확산하여 금속의 격자에 변화를 일으키고, 결과적으로 재료의 연성과 인장강도를 감소시키며 파괴에 대한 저항성을 떨어뜨리는 것을 의미한다. 강철 등의 금속 재료에 수소취화가 일어나면 큰 기계나 구조물이 파괴되는 등 심각한 안전사고의 원인이 되기도 한다. 이에 대한 이론적 근거로는 수소가스압설이나 전위설, 수소흡착설 등 다양한 이론이 제시되고 있다.

수소취화는 고온·고압의 환경 뿐아니라, 상온의 환경에서도 발생될 수 있으며, 특히 용접공정 시에 쉽게 발생된다. 이는 용접과정에서 용접봉 주위의 공기 중의 물이 수소와 산소로 분해되고, 여기서 발생된 수소는 용접대상물 내부의 게재물과 결합하여 수소화물을 형성시켜 취화되기 때문이다.

이와 같이 수소는 금속물에 손상을 가하므로, 수소에 의한 손상정도를 정확하게 파악하여, 미리 장치를 구성하는 재질의 강도 및 형상 등을 설정하여야 한다.

이를 위해, 재료의 수소취화 거동을 평가하기 위해 고압의 수소 분위기에서 재료를 시험하는 방법이 시행되고 있다. 즉, 70Mpa 이상의 초고압 수소분위기에서 재료의 인장실험 등을 실시하여 실제 자동차의 저장용기나 수소 공급용 배관에 수소가 미치는 영향을 조사하는 것이다.

이와 같은 고압의 수소환경에서의 실험이 실제환경과 가장 유사한 결과를 가져올 수는 있으나, 이와 같은 고압의 수소환경를 조성하기 위해서는 고가의 실험장치 등이 필요하게 되고, 고압의 환경으로 인해 안전성 문제가 존재하는 문제점이 있다.

이를 해결하기 위해, 전기화학적 실험을 통해 간접적으로 수소취화를 검사할 수도 있으나, 전기화학적 실험은 수소환경에 의한 취화라기보다는 재료의 내부가역적 취화라고 보아야 하므로, 실제 수소취화의 매커니즘과 차이를 보여 실험값을 신 뢰할 수 없는 문제점이 있다.

그리고, 상기 수소취화는 수소가 재료의 중심부보다 그 표면으로부터 침투해 들어가 이루어지므로 수소취화를 평가할 때 표면을 위주로 평가되어야 하는데, 종래에는 이러한 수소취화의 특성을 고려하지 않고 재료의 형상을 설정하여 정확한 수소취화 거동이 평가되지 못하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전기화학적 수소취화를 통해 실제 환경에서 재료에 발생되는 수소취화를 정확하게 모사할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 수소취화가 일어난 시험편의 수소농도를 정확하게 측정할 수 있도록 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 동일한 재질 및 형상의 제1 및 제2시험편의 표면에 전기분해를 통해 수소를 침투시키는 제1단계, 펀칭장치를 이용하여 제1시험편의 물성값을 측정하고, 분석기를 이용하여 제2시험편의 수소농도를 측정하는 제2단계, 상기 제2시험편의 수소농도의 변화에 따른 상기 제1시험편의 물성값의 변화를 평가하는 제3단계를 포함하여 구성되고, 상기 제1 및 제2시험편은 금속의 판상으로 형성된다.

상기 제1 및 제2시험편은 판상의 시험부와, 상기 시험부의 일측 모서리에 돌출되어 전기분해장치의 음극에 전기적으로 연결되는 연결부를 포함하여 구성된다.

상기 시험부는 정사각형상으로 형성되고, 각 변의 길이는 10mm로 형성된다.

상기 제1 및 제2시험편은 0.5mm의 두께를 가진다.

상기 제1단계 내지 제3단계는 상기 제1단계의 전기분해시 제1 및 제2시험편의 표면에 전기분해가 이루어지는 시간 또는 전류밀도 또는 실험온도 중 적어도 어 느 하나의 조건을 달리하여 반복수행되고, 상기 각각의 조건에서 얻어지는 제1 및 제2시험편의 물성값 및 수소농도를 비교하는 제4단계를 더 포함하여 구성된다.

상기 2단계에서 측정된 수소농도로부터 제1 및 제2시험편에 가해지는 수소분압을 유추하는 유추단계가 더 포함되고, 상기 수소분압은

로부터 유추되며, 상기 C는 수소농도, P는 수소분압, Hs는 엔탈피, R은 기체상수, T는 온도, a는 실험상수를 각각 나타낸다.

상기 제1단계에서 상기 제1 및 제2시험편에는 황산수용액으로 된 전해질 용액에서 이루어지는 전기분해를 통해 그 표면에 수소가 침투된다.

상기 전해질 용액은 0.5몰농도를 갖는 황산수용액으로 된다.

상기 제1단계의 전기분해는 전기분해장치를 이용하여 이루어지고, 상기 전기분해장치는 전류를 발생시키는 구동장치와 전해질 용액이 담긴 시험수조를 포함하여 구성되며, 상기 시험수조의 전해질 용액에는 상기 구동장치에 각각 연결된 제1전극 및 제2전극 그리고 기준전극이 장입되는데 상기 제1전극에는 음극이 연결되고 그 선단에 상기 제1 및 제2시험편이 전기적으로 연결된다.

상기 제2단계의 물성값을 측정하는 방법은 상기 제1시험편를 펀치로 가압하여 제1시험편이 파단되는 순간의 최대하중값을 측정하여 이루어진다.

상기 펀칭장치는 제1시험편이 안착되고 펀치공이 형성되는 다이와, 상기 제1 시험편의 표면에 안착되는 구형상의 압입구와, 상기 다이의 펀치공에 대응되는 위치에 승강가능하도록 설치되어 상기 압입구를 상기 제1시험편 방향으로 선택적으로 가압하는 펀치를 포함하여 구성된다.

본 발명에 의한 모재의 수소손상 평가방법에 의하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

본 발명에서는 수소분압이 실제로 가해지는 환경이 아니라 전기화학적 방식으로 수소가 침투되는 환경에서 모재의 수소취화를 검사하게 되므로, 수소취화시험을 위한 비용이 감소하고, 시험의 안전성이 향상되는 효과가 있다.

그리고, 본 발명에서는 두 개의 모재를 동일한 환경에서 전기화학적 방식으로 수소취화시키고, 이들을 각각 펀칭장치와 분석기를 통해 물성값의 변화와 수소농도의 변화를 측정하여 이들의 관계를 분석함으로써, 실제 수소분압이 가해지는 환경에서 모재에 가해지는 수소취화를 최대한 유사하게 모사할 수 있어 시험의 정확성이 향상되는 효과도 있다.

또한, 본 발명에서는 수소농도에 영향을 주는 전류밀도 및 장입시간을 비교적 용이하게 조절할 수 있어, 높은 수소분압 환경과 같은 다양한 환경에서 일어나는 모재의 수소취화 현상을 모델링할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 본 발명에서는 시험모재에 인장력을 가해 인장강도를 측정하는 대신 소형펀칭장치를 이용하여 시험모재의 강도변화를 측정하고 이로부터 시험모재의 인장강도를 유추하므로 시험이 간소화되는 효과도 기대할 수 있다.

또한 본 발명에서는 시험모재의 두께를 얇게 설정하여, 시험모재가 그 표면에서 주로 발생되는 수소취화에 보다 민감하게 반응할 수 있고, 이에 따라 실험데이터의 수집이 용이해지는 효과도 있다.

이하 본 발명에 의한 모재의 수소손상 평가방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1에는 본 발명에 의한 모재의 수소손상 평가방법의 바람직한 실시예의 구성이 순서도로 도시되어 있고, 도 2 및 도 3에는 본 발명 실시예에서 사용되는 전기분해장치 및 펀칭장치의 구성이 개략도로 각각 도시되어 있으며, 도 4에는 본 발명 실시예에 사용되는 시험편의 구성이 정면도로 도시되어 있으며, 도 5에는 본 발명 실시예의 실험조건인 전류밀도와 수소분압 사이의 관계가 그래프로 도시되어 있고, 도 6에는 본 발명 실시예에서 전류밀도 및 장입시간의 조건을 변경하여 나타다는 시험편의 물성값이 그래프로 도시되어 있다.

이들 도면에 도시된 바에 따라 본 발명에 의한 모재의 수소손상 평가방법에 대해 간략하게 먼저 설명하면, 시험자는 제1시험편과 제2시험편을 가공한다. 상기 제1 및 제2시험편은 각각 수소농도의 측정과 물성값의 변화를 측정하기 위한 것으로, 동일한 소재와 동일한 형상으로 만들어진다. 이는 제1 및 제2시험편이 동일한 조건에서 수소가 침투될 수 있도록 하기 위한 것이다.

이와 같은 제1 및 제2시험편이 가공되면 전기분해장치(10)를 이용하여 물을 전기분해함으로써, 상기 제1 및 제2시험편의 표면에 수소가 침투된다. 그리고, 일 정 시간이 경과한 후에, 실험자는 펀칭장치(100) 및 분석기를 통해 상기 제1 및 제2시험편의 물성값과 수소농도를 측정하여 이들을 비교하게 된다.

그리고, 이러한 과정을 상기 전기분해의 조건을 달리하여 반복수행함으로써, 시험편(30)의 수소농도와 시험편(30)의 물성값 사이의 관계를 평가할 수 있게 된다.

다음으로 본 실시예에서 사용되는 시험장치에 대해 설명하기로 한다.

먼저 전기분해장치(10)에 대해 설명하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 전기분해장치(10)는 정전류를 발생시키고 이를 조절하는 구동장치(11)와, 상기 구동장치(11)에서 연결되는 제1전극 및 제2전극이 장입되는 시험수조(20)로 구성된다. 보다 정확하게는, 상기 구동장치(11)로부터 제1전극 및 제2전극이 연결되어 그 선단이 각각 상기 시험수조(20)에 장입되는데, 본 실시예에서 상기 제1전극은 음(-)극이고, 제2전극은 양(+)극이다.

그리고, 상기 구동장치(11)에는 기준전극이 구비되는데, 상기 기준전극은 전해질 용액(21) 내의 전위차를 측정하기 위한 것이다. 이를 위해 상기 기준전극의 선단에는 측정편(50)이 구비된다.

이때, 상기 제1전극의 선단에는 제1 및 제2시험편이 연결되고, 상기 제2전극에는 보조편(40)이 연결되는데, 본 실시예에서 상기 보조편(40)은 백금선으로 구성된다. 이는 상기 보조편(40)이 쉽게 부식되지 않도록 하기 위함이다.

한편, 상기 시험수조(20)에는 전해질 용액(21)이 채워진다. 상기 전해질 용액(21)은 상기 제1전극 및 제2전극 사이에 전류가 흐를 수 있도록 하는 것으로, 상 기 시험편(30)과 보조편(40) 그리고 측정편(50)이 충분히 장입될 수 있도록 채워져야 한다.

이때, 상기 전해질 용액(21)은 황산(H₂SO₄) 수용액으로 됨이 바람직하다. 이는 상기 황산 수용액은 다른 전해질에 비해 상대적으로 시험편(30)의 표면에 석출물이 적게 발생되어 실제 수소분압이 가해지는 환경에 유사하게 모사할 수 있기 때문이다. 그리고, 상기 황산 수용액의 농도는 시험편(30)의 표면에 부식이 비교적 적게 발생될 수 있는 0.5몰농도로 결정된다. 참고로, 상기 전해질 용액(21)에는 수소의 침투성을 높이기 위해 아비산나트륨(NaAsO₂)을 촉매로 첨가할 수도 있다.

다음으로, 펀칭장치(100)에 대해 설명하면, 상기 펀칭장치(100)는 도 3에 잘 도시된 바와 같이, 다이(110,120)와 압입구(130), 그리고 펀치(150)로 구성된다. 그리고, 상기 다이(110,120)는 다시 제1다이(110)와 제2다이(120)로 구성되어, 그 사이에 상기 제1시험편이 고정된다.

상기 제1다이(110) 및 제2다이(120)에는 각각 펀치공(111,121)이 형성되는데, 상기 펀치공은 상기 펀치(150)가 이동될 수 있는 일종의 통로임과 동시에, 제1시험편이 변형될 수 있는 공간을 제공한다.

상기 압입구(130)는 상기 시험편(30)의 표면에 안착되어 펀치(150)가 상기 제1시험편을 간접적으로 가압하도록 함과 동시에, 압입구(130)의 형상으로 인해 제1시험편과 접하는 면적이 최소한으로 줄어들게 된다.

한편, 도 4를 참조하여 시험편(30)의 형상을 살펴보면, 시험편(30)은 얇은 금속 판상으로 형성되는데, 그 재질은 한정되지 않는다. 다만, 시험의 대상이 되는 장치의 모재와 동일한 재질을 사용함이 바람직하다. 예를 들어, 상기 시험편(30)은 고압가스 배관에 사용되는 강재(X-65강)로 만들어 질 수 있다.

보다 정확하게는, 상기 시험편(30)의 골격은 대략 정사각형상의 시험부(31)가 형성하고, 상기 시험부(31)의 일측 모서리부에는 연결부(32)가 구비된다. 상기 연결부(32)는 상기 전기분해장치(10)의 제1극에 연결되는 부분으로, 제1극과 상기 시험편(30)을 연결하는 전선이 감기게 된다. 이에 따라 상기 정사각형상의 시험부(31) 전체가 수소침투의 대상이 될 수 있게 된다.

이때, 상기 시험부(31)의 크기는 한변의 크기가 10mm로 되고, 그 두께는 0.5mm임이 바람직하다. 이는 상기 시험부(31)의 크기가 너무 크면 상기한 펀칭장치(100)의 크기 역시 커지게 되어 정밀한 측정이 용이하지 않게 되고, 너무 작으면 시험편(30)의 고정 및 가압이 어려워지기 때문이다.

상기 시험부(31)의 두께가 0.5mm로 비교적 얇게 형성됨으로써, 수소취화가 주로 발생되는 시험편(30)의 표면을 중심으로 수소취화를 정확하게 측정할 수 있게 된다. 즉, 시험편(30)의 전체 두께에 대한 수소가 장입되는 깊이의 비가 커지므로, 시험편(30)이 수소취화에 의해 보다 민감하게 반응할 수 있는 것이다.

다음으로, 본 발명 실시예에 의해 시험편(30)의 수소취화를 조사하는 과정을 상세하게 살펴보기로 한다.

먼저, 실험자는 상기 제1 및 제2시험편을 가공한다. 이때, 그 재질의 선택은 실제 수소환경에서 수소취화 정도를 알고자 하는 장치의 모재로 한다. 그리고, 그 치수는 상기한 바와 같이 각 변(L1)이 10mm 그리고 0.5mm의 두께를 갖도록 한다.

다음으로, 실험자는 상기 연결부(32)에 상기 제1극으로부터 연결되는 와이어를 접합시키고, 접합 부분에 튜브(35)를 씌우고 밀봉한다. 이때 밀봉수단으로는 에폭시수지를 비롯하여 다양한 재질이 사용될 수 있다. 이와 같이, 상기 제1 및 제2시험편에는 시험부(31)와는 별도로 연결부(32)가 구비되므로 시험부(31) 전체가 수소취화될 수 있어, 보다 정확한 수소농도의 측정이 가능해진다.

이와 같은 상태에서 상기 제1 및 제2시험편은 시험수조(20)의 전해질 용액(21)에 장입한다. 물론, 상기 보조편(40)과 측정편(50) 역시 상기 시험수조(20)에 장입되어야 한다. 이때, 상기 전해질 용액(21)은 0.5몰농도의 황산 수용액이다.

다음으로, 실험자는 상기 구동장치(11)를 작동시키기에 앞서, 실험변수를 확정해야 한다. 예를 들어, 전류밀도와 전기분해가 이루어지는 시간 등을 설정해야 하는 것이다. 이때, 시험이 반복적으로 이루어진다면 앞선 시험보다 전류밀도나 전기분해시간을 증가시키는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 전류밀도나 전기분해가 이루어지는 시간 중 하나는 고정하고 나머지 하나를 변화시키면서 실험을 수행한다.

실험변수가 정해지면 상기 구동장치(11)를 가동시키게 되고, 이에 따라 상기 제1극과 제2극 사이에는 전류가 흐르게 되고, 다음과 같은 반응이 발생된다.

제1극(음극): 2H⁺ + 2e^- -> H₂

2H⁺ + 1/2O₂ + 2e_- -> H₂0

제2극(양극) : M -> M⁺⁺ + 2e^-

이때, 제1극에서 발생된 수소 중 일부는 상기 시험편(30)의 표면에 침투되고, 나머지 일부는 대기로 배출된다. 이와 같이 전기분해를 통해 상기 시험편(30)에 수소를 침투시키는 상태를 실험자가 설정한 시간 동안 유지시킨다.

상기 시험편(30)의 표면에 침투된 수소는 시험편(30)의 수소취화를 발생시키게 되고, 상기 시험편(30)의 수소취화는 시험편(30)의 강도를 약화시키게 된다. 그리고, 실험자는 이러한 시험편(30)을 조사하여 수소농도와 시험편(30)의 인장강도 사이의 관계를 평가하게 된다.

보다 구체적으로 살펴보면, 실험자는 상기 제1 및 제2시험편을 시험수조(20)로부터 꺼내 건조시킨 후에 각각 펀칭장치(100) 및 분석기를 통해 강도 및 수소농도를 측정한다.

먼저, 제1시험편의 강도를 측정하는 과정을 살펴보면, 상기 제1시험편을 제1다이(110)에 안착시키고, 상기 펀치(150)를 하강시켜 압입구(130)가 상기 제1시험편을 누르게 한다. 이때, 상기 펀치(150)가 계속 하강하게 되면 어느 순간 상기 제1시험편이 파단되고, 파단되는 순간에 펀치(150)에 의해 가해지는 하중을 측정한다.

그리고, 상기 제2시험편은 고온으로 녹여 그 과정에서 배출되는 가스를 분석하여 수소농도를 측정하게 된다.

이때, 상기 제1 및 제2시험편은 동일한 조건에서 수소취화된 것이므로, 제1시험편과 제2시험편을 각각 조사함으로써 동일한 모재의 수소농도와 최대강도를 측정한 것으로 보아도 무방하다.

그리고, 이와 같은 시험을 조건을 달리하여 반복수행하여 시험편(30)의 수소농도와 시험편(30)의 인장강도 사이의 관계를 평가하여 테이블을 만듦으로써, 실제 사용되는 장치의 모재를 선택함에 있어, 장치가 설치되는 환경의 수소분압에 맞추어 모재를 선택할 수 있게 되는 것이다.

한편, 상기 시험 조건에는 단순히 시험편(30)의 장입시간 뿐아니라, 상기 시험편(30)의 전류밀도(current density)도 포함된다. 즉, 상기 장입시간의 변화 뿐아니라 전류밀도를 변화시키면서 시험편(30)의 최대강도를 측정할 수도 있는 것이다.

이때, 시험편(30)에 가해지는 총 인가전류량을 일정하게 유지하기 위해 상기 시험편(30)의 전기분해가 이루어지는 시간(장입시간)(T)과 전류밀도(N)의 곱(T*N)은 동일하게 유지하면서 시험을 수행할 수도 있다. 이는 전류밀도와 장입시간의 곱은 인가전류량에 비례하게 되고, 인가전류량이 동일하게 되면 총 발생수소량이 동일하게 되므로, 총 발생수소량이 동일한 경우에도 전류밀도와 장입시간에 따라 수소취화 정도가 달라질 수 있는지 여부도 평가될 수 있기 때문이다.

다음으로, 이러한 전기화학적 실험결과로부터 실제 수소분압이 미치는 환경과 전기화학적 실험 사이의 관계를 추정해야 한다. 그 과정을 살펴보면, 먼저 도 5 에서 보듯이, 전류밀도는 실제 환경의 수소분압과 비례함을 알 수 있으므로, 상기 전류밀도를 조절하여 실험을 수행하는 것이 실제 수소분압이 조절되는 것과 유사함을 알 수 있다.

그리고, 상기 전류밀도의 조절에 따라 상기 시험편(30)의 수소농도가 변화되고, 상기 수소분압은 다음의 식으로부터 얻어질 수 있다.

이때, 상기 C는 수소농도, P는 수소분압, Hs는 엔탈피, R은 기체상수를 T은 온도, a는 실험상수를 각각 나타낸다. 실험자는 이로부터 원하는 실제 수소분압의 환경과 유사하게 실험을 모사할 수 있다. 즉, 원하는 수소분압을 통해 수소농도를 얻어 실험을 수행할 수 있고, 반대로 수소농도로부터 수소분압을 얻어 실제환경에서의 모재의 반응을 예측할 수도 있는 것이다.

그리고 수소농도는 상기 제2시험편을 분석하여 얻을 수 있으므로, 실험자는 상기 제2시험편의 수소농도로부터 실제 환경의 수소분압을 유추할 수 있다.

한편, 제1시험편의 물성값은 상기 펀칭장치(100)에 의해 얻어지는데, 상기 제1시험편이 파단되는 순간의 펀치(150)의 하중값을 측정하여 얻어진다. 그리고, 상기 제1시험편의 인장강도(σ_max)는 실험을 통해 얻어진 다음식으로부터 구해진다.

이때 P_max는 상기 펀치(150)의 최대하중값, r_m은 제1시험편의 중심으로부터 파단면까지의 반경거리이다. 이에 따라 상기 제1시험편을 이용하여 직접 인장실험을 수행하지 않아도 인장강도를 얻을 수 있으며, 이는 상기 제1시험편의 크기가 작아질 수 있음을 의미한다.

이와 같이, 실험자는 상기 제2시험편으로부터 수소분압을 유추하고, 제1시험편으로부터는 인장강도를 얻음으로써, 수소분압과 시험편(30)의 인장강도 사이의 관계를 평가할 수 있다. 그리고, 이러한 실험은 전기화학적인 방식으로 이루어지므로, 실험자는 상기 전기분해의 조건, 즉 실험온도나 전류밀도 또는 장입시간 등을 조절하여 큰 수소분압이 가해지는 환경까지 모사가 가능해진다.

참고로 도 6에는 이러한 실험을 통해 제1시험편의 물성값을 측정한 결과가 도시되어 있다. 도 6(a)는 실험온도 및 장입시간을 고정하고 전류밀도를 달리한 경우를 나타내는데, 이때 ①시험편(30)은 ②시험편(30)에 비해 2배 이상의 전류밀도가 가해진 경우를 나타낸다. 도시된 바와 같이, ①시험편(30)의 경우가 최대하중값이 더 작음을 알 수 있고, 이는 전류밀도가 더 큰 경우에 수소취화 역시 더 커짐을 나타낸다.

그리고 도 6(b)에는 실험온도 및 전류밀도를 고정하고 장입시간을 2배로 한 경우가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 장입시간이 2배인 ①시험편(30)은 ②시험편(30)에 비해 최대하중값이 더 작음을 알 수 있고, 이는 전류밀도가 더 큰 경우에 수소취화 역시 더 커짐을 나타낸다.

도 1은 본 발명에 의한 모재의 수소손상 평가방법의 바람직한 실시예의 구성을 보인 순서도.

도 2는 본 발명 실시예에서 사용되는 전기분해장치의 구성을 간략하게 보인 개략도.

도 3은 본 발명 실시예에서 사용되는 펀칭장치의 구성을 간략하게 보인 개략도.

도 4는 본 발명 실시예에 사용되는 시험편의 구성을 보인 정면도.

도 5는 본 발명 실시예의 실험조건인 전류밀도와 수소분압 사이의 관계를 보인 그래프.

도 6는 본 발명 실시예에서 전류밀도 및 장입시간의 조건을 변경하여 얻어지는 시험편의 최대하중값을 도시한 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10: 전기분해장치 11: 구동장치

20: 시험수조 21: 전해질 용액

30: 시험편 31: 시험부

32: 연결부 50: 측정편

100: 펀칭장치 110,120: 제1 및 제2다이

130: 압입구 150: 펀치

Claims (11)

1. 동일한 재질 및 형상의 제1 및 제2시험편의 표면에 전기분해를 통해 수소를 침투시키는 제1단계,

   수소침투에 의해 열화된 상기 제1시험편의 물성값을 측정하고, 분석기를 이용하여 제2시험편의 수소농도를 측정하는 제2단계,

   상기 제2시험편의 수소농도의 변화에 따른 상기 제1시험편의 물성값의 변화를 평가하는 제3단계를 포함하여 구성되고,

   상기 제1 및 제2시험편은 금속재질의 판상으로 형성됨을 특징으로 하는 모재의 수소손상 평가방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 및 제2시험편은

   판상의 시험부와,

   상기 시험부의 일측 모서리에 돌출되어 전기분해장치의 음극에 전기적으로 연결되는 연결부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 모재의 수소손상 평가방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 시험부는 정사각형상으로 형성되고, 각 변의 길이는 10mm로 형성됨을 특징으로 하는 모재의 수소손상 평가방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제1 및 제2시험편은 0.5mm의 두께를 가짐을 특징으로 하는 모재의 수소손상 평가방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 제1단계 내지 제3단계는 상기 제1단계의 전기분해시 제1 및 제2시험편의 표면에 전기분해가 이루어지는 시간 또는 전류밀도 또는 실험온도 중 적어도 어느 하나의 조건을 달리하여 반복수행되고,

   상기 각각의 조건에서 얻어지는 제1 및 제2시험편의 물성값 및 수소농도를 비교하는 제4단계를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 모재의 수소손상 평가방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 2단계에서 측정된 수소농도로부터 제1 및 제2시험편에 가해지는 수소분압을 유추하는 유추단계가 더 포함되고, 상기 수소분압은

   

   로부터 얻어지며, 상기 C는 수소농도, P는 수소분압, Hs는 엔탈피, R은 기체상수, T는 온도, a는 실험상수를 각각 나타냄을 특징으로 하는 모재의 수소손상 평가방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 제1단계는 전기분해가 이루어지는 시간(T)과 전류밀도(N)의 곱(T*N)은 동일하게 유지되도록 수행됨을 특징으로 하는 모재의 수소손상 평가방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 제1단계에서 상기 제1 및 제2시험편에는 황산수용액으로 된 전해질 용액에서 이루어지는 전기분해를 통해 그 표면에 수소가 침투됨을 특징으로 하는 모재의 수소손상 평가방법.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 제1단계의 전기분해는 전기분해장치를 이용하여 이루어지고, 상기 전기분해장치는 전류를 발생시키는 구동장치와 전해질 용액이 담긴 시험수조를 포함하여 구성되며, 상기 시험수조의 전해질 용액에는 상기 구동장치에 각각 연결된 제1전극 및 제2전극 그리고 기준전극이 장입되는데 상기 제1전극에는 음극이 연결되고 그 선단에 상기 제1 및 제2시험편이 전기적으로 연결됨을 특징으로 하는 모재의 수소손상 평가방법.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 제2단계의 물성값을 측정하는 방법은 상기 제1시험편를 펀치로 가압하여 제1시험편이 파단되는 순간의 최대하중값을 측정하여 이루어짐을 특징으로 하는 모재의 수소손상 평가방법.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 제2단계에서 제1시험편의 물성값의 측정은 펀칭장치에 의해 이루어지고, 상기 펀칭장치는

    제1시험편이 안착되고 펀치공이 형성되는 다이와,

    상기 제1시험편의 표면에 안착되는 구형상의 압입구와,

    상기 다이의 펀치공에 대응되는 위치에 승강가능하도록 설치되어 상기 압입구를 상기 제1시험편 방향으로 선택적으로 가압하는 펀치를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 모재의 수소손상 평가방법.

Images