강철 화학 조성 및 기계적 특성 표 읽는 법

강재 조성 및 기계적 특성 표 읽는 방법

강재 표는 규격서가 아니라 참고 자료입니다. 표의 각 행에는 일반적으로 제품 규격, 치수 범위, 제조 경로, 열처리 상태 및 시험 방법에 해당하는 정보가 압축되어 있습니다. AISI 4140, 304 또는 S355와 같은 명칭은 특정 계열 또는 등급을 나타내지만, 그 자체만으로 공급 제품에 적용되는 모든 화학 조성 한계나 기계적 요구사항을 정하는 것은 아닙니다.

무엇보다 먼저 적용 문서를 확인해야 합니다. ASTM A240은 압력용기 및 일반 용도에 사용되는 크롬강 및 크롬-니켈 스테인리스 강판, 강대 및 박판을 다루며, ASTM A276은 스테인리스 강봉 및 형강을 다룹니다. 두 규격 모두 304로 지정된 등급을 포함할 수 있지만, 제품 형태, 허용 제조 상태, 치수 규칙 및 시험 규정은 동일하지 않습니다. 마찬가지로 유럽 구조용 제품 규격에 따른 S355도 독립적으로 존재하는 재료 식별자가 아닙니다. 적용되는 EN 제품 규격이 강판, 형강, 중공 단면 또는 기타 형태에 대한 요구사항을 결정합니다.

따라서 유용한 표에는 적용 범위가 명시되어야 합니다. 표준, 등급 명칭, 제품 형태, 납품 상태, 두께 또는 단면 크기, 단위, 시험 방향 및 합격 기준을 식별해야 합니다. 이러한 항목이 없으면 표의 한 행은 예비 비교에는 활용할 수 있지만, 적합성을 입증할 수는 없습니다.

등급 행이 실제로 나타내는 것

등급 행은 규격 체계에서 정의된 하나의 범위를 나타냅니다. 최소한 명칭을 화학 조성 및 하나 이상의 특성 요구사항과 연결합니다. 제대로 작성된 표라면 해당 값이 열간 압연 봉강, 노멀라이징 처리 강판, 담금질 및 뜨임 처리 합금강, 용체화 열처리 스테인리스강 또는 다른 상태에 적용되는지도 식별할 수 있습니다.

ASTM A400은 강봉 선정과 등급, 화학 조성, 가공 상태, 단면 크기 및 요구되는 최소 항복 강도를 연계한다. Strong evidence

[1][1] Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties. ASTM International. ASTM standard.

ASTM A400, 강봉의 선정 지침, 조성 및 기계적 특성에 관한 표준 관행은 이 점을 특히 명확하게 설명합니다. 이 규격의 표 형식 지침은 강봉의 선정과 등급, 화학 조성, 가공 상태, 단면 크기 및 요구되는 최소 항복 강도를 연계합니다. 따라서 한 행은 단순히 “4140의 특성”을 의미하지 않습니다. 이는 특정 강봉 제품 조건에 대한 지침이며, 강도는 강재의 가공 방법과 단면 크기에 따라 달라집니다.

동일한 명칭이라도 다른 제품 규격에서는 요구사항이 달라질 수 있습니다. 강판은 노멀라이징, 노멀라이징 및 뜨임 또는 담금질 및 뜨임 상태로 공급될 수 있습니다. 강봉은 풀림 또는 냉간 인발 상태일 수 있습니다. 이러한 상태는 용강의 화학 조성이 동일한 등급 한계 내에 있더라도 경도, 항복 강도, 인장 강도 및 연성을 변화시킵니다.

치수 역시 요구사항의 정체성을 구성하는 요소입니다. 구조용 강재는 일반적으로 두께가 증가할수록 최소 항복 강도가 낮아집니다. 이는 단면 내부에서 냉각 속도와 변태 조건이 달라지기 때문입니다. Eurocode 3, EN 1993-1-1 제3.2.6절은 S235, S275, S355, S420, S450 및 S460에 대한 설계용 재료 특성을 제시하지만, 이러한 값은 Eurocode 체계 및 두께 관련 규정에 연계된 설계 입력값입니다. 이를 일반 목적의 표에 옮겨 적고 보편적인 인장시험 결과인 것처럼 제시해서는 안 됩니다.

시험 방향도 또 하나의 경계 조건입니다. 압연 강판은 압연 방향에 대해 횡방향과 종방향에서 강도, 연신율, 단면 수축률 및 인성이 다르게 나타날 수 있습니다. 방향을 생략한 기계적 특성 행은 실제로는 종방향 또는 횡방향에만 적용되는 요구사항을 숨길 수 있습니다. 특히 충격 에너지의 경우 온도도 중요한 요인이 될 수 있습니다.

ASTM 규격은 탄소강, 구조용강, 스테인리스강, 페라이트계강, 오스테나이트계강 및 합금강의 화학적, 기계적, 금속학적 특성과 기타 재료 특성을 다룹니다. 이러한 폭넓은 적용 범위는 짧은 등급 명칭을 완전한 재료 정의로 취급해서는 안 된다는 점을 보여 줍니다.

조성 한계와 보고된 분석값의 차이

용강 분석용강 분석 특정 용강 또는 강괴의 조성을 나타내기 위한 화학 분석.

화학 조성 표에는 일반적으로 보증 분석값이 아니라 한계값이 표시됩니다. 예를 들어 규격에는 탄소 최대 0.08%, 망가니즈 최대 2.00%, 또는 크롬의 특정 최소값과 최대값 사이의 범위가 규정될 수 있습니다. 이러한 값은 일반적으로 질량 백분율로 표시되는 합격 경계입니다. 모든 용강이 그 범위의 중간값을 포함한다는 뜻은 아닙니다.

밀 시험성적서에는 탄소 0.045%, 망가니즈 1.52%, 크롬 18.20%와 같은 용강 분석값이 보고될 수 있습니다. 이러한 수치는 해당 규격의 시료 채취 및 분석 규칙에 따라 시험된 용강을 설명합니다. 이는 규격의 조성 한계를 대체하는 값이 아닙니다. 반대로, 예시용 표에는 허용 범위가 0.17–0.23%인 등급의 탄소 함량을 0.20%라는 단일 값으로 표시할 수 있습니다. 이 단일 값은 개략적인 이해에는 유용하지만 적합성을 판단할 수는 없습니다.

이러한 구분은 합금 원소와 잔류 원소에서 특히 중요합니다. 인과 황에는 최대 한계가 적용될 수 있고, 규소와 망가니즈에는 범위가 적용될 수 있으며, 질소, 구리, 니오븀, 티타늄 또는 기타 원소는 등급과 제품 규격에 따라 관리될 수 있습니다. 값을 반올림하거나 서로 다른 판본의 내용을 결합하거나 선택적 관리 원소를 누락한 비교 표는 잘못된 동등성을 만들어 낼 수 있습니다.

예를 들어 SSINA는 ASTM 제품 규격이 적용되는 오스테나이트계 스테인리스 등급에 대해 질량 백분율 조성표와 규정된 기계적 특성을 발행합니다. 이러한 표는 인용된 ASTM 규격과 제품 형태가 함께 유지될 때에만 유용합니다. Nickel Institute 역시 화학 조성, 기계적 특성, 물리적 특성 및 규격을 표 형식으로 구분합니다. 이러한 특성 분류를 분리해 두면 화학 조성값을 성능 보증값으로 오인하는 것을 방지할 수 있습니다.

비교 표를 사용할 때에는 더욱 주의해야 합니다. Handbook of Comparative World Steel Standards는 국제 명칭 체계 전반에 걸쳐 화학 조성과 기계적 특성을 별도의 표로 제시합니다. 이러한 분리는 타당합니다. 명칭이 비슷하거나 조성이 대략적으로 유사하다는 사실만으로는 두 등급의 가공 규칙, 인성 요구사항, 청정도 규정 또는 기계적 최솟값이 동일하다고 입증할 수 없기 때문입니다. “동등”하다는 표현은 단순히 화학 조성 열의 값이 비슷하다는 뜻이 아니라, 명시된 용도와 규격에 대해 동등하다는 의미여야 합니다.

규정 특성과 대표 특성의 차이

규정 특성은 계약 또는 표준에 근거한 요구사항입니다. 제품 규격에서 최소 항복 강도를 355 MPa로 요구하는 경우, 시험값이 그 기준보다 낮으면 해당 규격에 유효한 예외 또는 재시험 절차가 없는 한 요구사항을 충족하지 못합니다. 최대 경도가 규정된 경우에도 보고값이 그 한계를 초과하면 마찬가지로 중요한 의미를 가집니다.

대표적인 특성값은 대표 정보를 제공하는 것이며, 규정된 최소값 또는 최대값을 대체하지 않는다. Strong evidence

대표 특성은 이와 다릅니다. 이는 특정 열처리 및 시험편 방향과 관련된 관찰값, 대표값 또는 일반적으로 발표되는 값인 경우가 많습니다. 특정 상태의 대표 인장 강도가 700 MPa일 수 있지만, 규격은 655 MPa의 최소값만 정할 수 있습니다. 대표값은 엔지니어가 거동을 추정하는 데 도움을 주지만, 최소 요구값을 700 MPa로 높이는 것은 아닙니다.[2][2] Mechanical Properties of Carbon and Alloy Steels. ASM International. ASM Metals Handbook.

이 차이는 매우 중요합니다. 강도는 화학 조성만으로 결정되지 않기 때문입니다. ASM International은 탄소강 및 합금강의 특성이 화학 조성, 가공 및 미세조성의 복합적인 영향으로 결정된다고 설명합니다. 담금질 속도, 뜨임 온도, 결정립 크기, 선행 변형 및 단면 두께는 동일한 화학 등급 내에서도 경도, 인성, 항복 강도 및 연신율을 변화시킬 수 있습니다.

[3][3] General Content and Format of ASTM Standard Specifications for Steel Products. American Institute of Steel Construction. AISC Engineering FAQ.

표에는 각 값을 명확하게 표시해야 합니다. 즉, 최대값, 최소값, 범위, 대표값, 공칭값, 설계값 또는 보고된 분석값으로 구분해야 합니다. 또한 해당되는 경우 시험 규격, 시험편 위치, 방향, 온도 및 납품 상태를 명시해야 합니다. 구조용 형강과 강판에 대해 American Institute of Steel Construction은 ASTM 제품 규격에 일반적으로 화학 조성 요구사항과 기계적 특성 요구사항이 모두 포함된다고 설명합니다. 어느 한 범주도 다른 범주를 대신할 수 없습니다.

편집 원칙은 간단합니다. 복사한 표를 적용 규격의 대체물로 취급해서는 안 됩니다. 표는 등급을 찾고 관련 변수를 이해하는 데 사용해야 합니다. 그런 다음 적합성 또는 공학적 특성을 판단하기 전에 적용 규격, 제품 형태, 상태, 치수, 판본 및 시험 요구사항을 확인해야 합니다.

강재 지정 및 표준의 체계

ASTM 및 ASME 지정 논리

강재 지정은 완전한 재료 식별자가 아니다. 이는 특정 표준 체계 안에서의 주소에 해당한다. 예를 들어 ASTM A36은 탄소 구조용 강재 규격을 식별하지만, 이 규격은 명칭 이상의 내용을 규정한다. 즉, 허용되는 제품 형태, 화학적 한계값, 인장 및 항복 요구사항, 시험 방법, 납품 조건, 그리고 경우에 따라 추가 요구사항까지 정의한다. ASTM A572/A572M Grade 50은 규정된 최소 항복강도를 갖는 고강도 저합금 구조용 강재를 의미하지만, 적용되는 한계값과 시험 조항은 여전히 해당 규격이 적용되는 제품에 따라 달라진다.

ASTM의 체계는 일반적으로 문자, 일련번호, 그리고 필요한 경우 등급(grade), 형식(type), 종류(class) 또는 추가 지정으로 구성된다. 문자는 광범위한 대상을 나타낸다. “A”는 철계 재료를 다루며, 숫자는 특정 규격을 식별한다. 따라서 “A36”과 “A572”는 두 가지 보편적인 화학 조성식을 의미하지 않는다. 이들은 규격상의 식별자이다. “Grade 50”은 A572/A572M 내의 강도 등급을 나타내며, 모든 강재 제품에 변경 없이 적용할 수 있는 독립적인 등급을 의미하지 않는다.

이러한 구분은 ASTM A400, 강봉의 선정 지침, 조성 및 기계적 성질에 관한 표준 실무에서 분명하게 드러난다. 이 규격의 표는 봉강 등급을 화학 조성, 가공 상태, 단면 크기 및 요구되는 최소 항복강도와 연계한다. 이러한 구성은 표의 한 행을 완전한 구매 또는 설계 요구사항으로 읽어서는 안 된다는 점을 경고한다. 4140 계열 합금은 열간 압연, 노멀라이징, 담금질 및 뜨임, 또는 냉간 마무리 상태에 따라 강도, 경도 및 연성이 실질적으로 달라질 수 있다. 또한 열처리 후 대형 단면은 소형 단면과 동일한 두께 방향 특성을 확보하지 못할 수 있다.

ASTM 강재 표준은 탄소강, 구조용 강재, 스테인리스강, 페라이트계 강, 오스테나이트계 강 및 합금강을 다루며, 화학적·기계적·금속학적 특성과 기타 재료 특성을 규정할 수 있다. AISC는 형강 및 강판에 관한 구조용 강재 규격이 일반적으로 조성 요구사항과 기계적 성질 요구사항을 모두 포함한다고 설명한다. 어느 한 표도 다른 표를 대신할 수 없다. 화학 조성은 허용되는 합금 원소와 잔류 원소를 규제하고, 기계적 요구사항은 공급된 제품이 시험에서 달성해야 하는 성능을 정한다.

ASME 지정은 종종 두 번째 관리 층위를 드러낸다. ASME 보일러 및 압력용기 코드에서는 ASTM 규격이 A516/A516M 대신 SA-516/SA-516M과 같이 “SA” 접두사를 붙여 표시될 수 있다. 예를 들어 이는 압력용기용 강판에 적용된다. 이 접두사는 ASME 코드 체계 내에서의 수용을 나타내지만, 참조된 규격, 판본, 제품 형태, 등급, 열처리 또는 추가 요구사항의 중요성을 없애지는 않는다. 미터법 및 관용 단위 버전은 서로 다른 요구사항이나 주문 관행을 가질 수도 있다. 따라서 “SA-516 Grade 70”은 적용 코드와 판본을 확인하지 않고 “A516 Grade 70”이라고 불리는 임의의 강판으로 대체할 수 있는 독립적인 식별자가 아니다.

화학 조성에서 특성을 직접 추론하는 방식도 금속학적으로 성립하지 않는다. ASM International은 탄소강 및 합금강의 특성이 조성, 가공 및 미세조성의 복합적인 영향으로 결정된다고 설명한다. 탄소, 망가니즈, 크로뮴, 니켈, 몰리브데넘 및 붕소 함량은 경화능과 상변태에 영향을 미치지만, 압연 압하율, 냉각 속도, 뜨임, 결정립 크기 및 단면 두께가 최종 조직을 변화시킨다. 조성표는 한 용강이 특정 한계 내에 있는지를 보여줄 수 있다. 그러나 그 자체만으로 항복강도, 충격 인성, 경도 또는 용접성을 입증할 수는 없다.

S235 및 S355와 같은 유럽 지정

유럽 구조용 강재 지정은 다른 종류의 정보를 부호화한다. EN 체계에서 S235 및 S355의 “S”는 구조용 강재를 의미하며, 숫자는 정해진 제품 및 두께 범위에서의 명목 최소 항복강도를 메가파스칼로 나타낸다. 이 숫자는 화학적 동등성을 나타내는 부호가 아니다. S355라고 표시된 모든 제품이 동일한 탄소, 망가니즈, 규소 또는 합금 원소 함량을 갖는다는 뜻은 아니다.

접미사는 중요하다. EN 10025 제품 표준에서 S235JR, S355J2 및 S355K2와 같은 지정은 충격 인성 등급을 포함한다. “JR”, “J0”, “J2” 및 “K2”는 서로 다른 샤르피 V 노치 충격 요구사항과 시험 온도에 대응한다. 관련 제품 표준에서 “N” 또는 “NL”은 노멀라이징 또는 노멀라이징 압연 납품 등급을 나타낼 수 있다. 완전한 접미사가 없는 지정은 저온 성능과 가공 상태를 좌우하는 정보를 누락할 수 있다.

두께에 따라서도 명시된 강도의 의미가 달라진다. EN 요구사항은 일반적으로 두께 구간별로 서로 다른 최소 항복값을 부여하므로, S355와 연관된 355 MPa라는 수치가 모든 강판 두께 또는 단면에 요구되는 항복강도와 반드시 일치하는 것은 아니다. EN 10025-2와 같은 제품 표준은 열간 압연 비합금 구조용 강재를 규정하는 반면, 다른 EN 표준은 구조용 강관, 단조품, 체결부품 또는 스테인리스 제품을 다룬다. 제품 표준은 재료 식별의 일부이다.

SteelConstruction.info는 유럽 구조용 강재 지정 체계와 화학 조성 및 기계적 성질을 규정하는 표준을 구분한다. 이어서 Eurocode 3은 EN 1993-1-1 제3.2.6절을 통해 설계용 재료 특성을 제시한다. 해당 표에는 S235, S275, S355, S420, S450 및 S460이 포함되지만, 이는 Eurocode 체계에 연계된 설계값이며 밀 시 인증서나 적용 가능한 EN 제품 표준을 대신하지 않는다. 설계표와 재료 수용 표는 서로 다른 질문에 답한다.[4][4] Composition and Properties. Specialty Steel Industry of North America. SSINA technical resources.

스테인리스강 지정에서도 같은 원리가 다른 방향으로 나타난다. “304”는 여러 체계에서 사용되는 계열 지정일 수 있지만, ASTM A240 Type 304는 제품별 요구사항을 갖는 판, 시트 및 스트립을 대상으로 한다. SSINA는 ASTM 제품 규격이 적용되는 오스테나이트계 스테인리스강 등급에 대해 중량 백분율 조성 한계와 규정된 기계적 성질을 모두 제시한다. 화학 조성 항목과 인장 특성 항목은 제품 형태 및 상태와 함께 읽어야 한다.

국가별 및 국제적 동등성 주장

비교표는 서로 관련된 등급을 찾는 데 유용하다. 그러나 비교표는 상호 대체 가능성을 입증하는 인증서가 아니다. 세계 강재 표준 비교 편람은 국제 지정 체계 간 화학 조성 비교와 기계적 성질 비교를 구분한다. 이러한 구분은 필수적이다. 두 등급이 탄소, 크로뮴, 니켈 또는 몰리브데넘의 유사한 범위를 가질 수 있지만, 항복강도, 충격시험, 열처리, 치수 한계 또는 검사 규정에서는 차이를 보일 수 있기 때문이다.

ASTM A36과 EN S235JR을 나란히 배치한 표는 명목 강도와 일반적인 구조용도에 근거한 실무적 계열 관계를 보여주는 것일 수 있다. 그러나 이는 모든 A36 제품이 모든 S235JR 요구사항을 충족한다거나, 어느 한 등급이 다른 등급의 인성, 두께, 화학 조성 또는 납품 관련 규정을 충족한다는 것을 입증하지 않는다. ASTM A572 Grade 50과 S355에도 같은 주의가 적용된다. 이들의 명목 강도 수준은 서로 관련되지만, 등급 번호만으로 용접성, 충격 성능, 두께 한계 또는 인증 요구사항이 일치한다고 볼 수는 없다.

Nickel Institute의 표가 화학 조성, 기계적 성질, 물리적 성질 및 규격을 별도의 범주로 나누는 것도 이러한 이유 때문이다. Engineering ToolBox에서 제시하는 탄소, 크로뮴, 망가니즈, 몰리브데넘, 니켈, 인, 황 및 규소의 대표적 비교값은 광범위한 합금 계열을 식별하는 데 도움을 줄 수 있지만, 대표값은 규격상 관리되는 한계값이 아니다. Outokumpu의 스테인리스강 편람, SSINA 표 및 Metallus의 실무 데이터도 유사한 참고 기능을 한다.

신뢰성 있게 동등성을 주장하려면 두 표준의 명칭, 완전한 지정, 제품 형태, 두께 또는 단면 크기, 납품 상태, 시험 방향, 온도 요구사항 및 적용 판본을 모두 명시해야 한다. 이 중 어느 하나라도 빠져 있다면 “동등”이라는 표현은 “초기 비교를 위한 유사 재료”라는 의미로 이해해야 하며, 한 재료를 다른 재료로 대체해도 된다는 허가로 해석해서는 안 된다.

화학 조성표: 원소와 그 기능

화학 조성표는 일반적으로 각 원소의 함량을 질량 백분율로 표시하며, 보통 wt.% 또는 간단히 %로 표기한다. 예를 들어 C 0.20이라는 값은 탄소가 강재 질량의 0.20%를 차지한다는 뜻이다. 표에는 최대값, 최소값 또는 허용 범위가 제시될 수 있다. 이러한 차이는 중요하다. “P 0.040 max”는 “Mn 0.80–1.20”과 동일한 요구사항이 아니며, 어느 값도 해당 제품 규격과 분리해서 강재의 종류를 독립적으로 식별해 주지 않는다.

조성표와 기계적 성질표는 서로 다른 질문에 답한다. 화학 조성표는 한 용해에서 존재할 수 있는 원소를 규정하는 반면, 기계적 성질표는 지정된 제품과 시험 조건에서의 항복강도, 인장강도, 연신율, 경도 또는 충격 에너지와 같은 결과를 보고한다. ASTM A400, Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties는 등급, 조성, 가공 상태, 단면 크기 및 요구되는 최소 항복강도를 서로 연결한다. 이는 화학 조성만으로는 보증된 기계적 결과를 확립할 수 없기 때문이다. ASM Metals Handbook 역시 탄소강 및 합금강의 성질이 조성, 가공 및 미세조성의 복합적인 영향에 의해 결정된다고 설명한다.

Engineering ToolBox는 탄소, 크롬, 망간, 몰리브덴, 니켈, 인, 황 및 규소를 포함한 강 등급의 대표적인 중량 백분율 비교를 제시한다. 이러한 표는 전반적인 화학적 차이를 파악하는 데 유용하지만, 적용 가능한 ASTM, EN, ISO 또는 기타 제품 규격을 대신해서는 안 된다. SSINA의 오스테나이트계 스테인리스강 표, Outokumpu Stainless Steel Handbook 및 Metallus의 Practical Data for Metallurgists는 보다 규격 중심이거나 등급 중심의 데이터를 제공하지만, 각 자료가 명시한 적용 범위 내에서 여전히 각각의 제한이 적용된다.

탄소, 망간, 규소, 인 및 황

탄소는 일반 탄소강과 합금강에서 주요한 침입형 강화 원소이다. 탄소 함량이 증가하면 일반적으로 경도, 인장강도 및 담금질·뜨임 후 얻을 수 있는 강도가 높아진다. 또한 일정 정도까지 경화능도 증가하지만, 경화 깊이에는 합금 원소와 단면 크기가 큰 영향을 미친다. 그 대가로 연성이 감소하고 용접성이 낮아지며, 열영향부의 취성 조직에 대한 민감성이 커진다. 스테인리스강에서는 탄소가 크롬과 결합하여 크롬 탄화물을 형성할 수 있으며, 일반적으로 Cr23C6과 같은 화합물로 나타낸다. 결정립계에서 석출이 일어나면 크롬 결핍 영역이 형성되어 국부적인 내식성이 저하될 수 있다.

등급 표기의 숫자는 탄소 수준을 시사할 수 있지만, 보편적인 식별 기준은 아니다. AISI 1045, ASTM A576 1045 봉강 및 유사한 1045 표기로 판매되는 다른 제품은 허용 화학 조성, 치수, 열처리 또는 기계적 요구사항이 서로 다를 수 있다. 기준이 되는 것은 짧은 등급 명칭이 아니라 제품 규격이다.

망간은 고용 강화 효과를 통해 페라이트를 강화하며, 황과 결합하여 황화망간 개재물을 형성한다. 이는 탄소강에서 중요한데, 망간이 황화철의 유해한 영향을 줄이기 때문이다. 황화철은 열간 취성을 일으킬 수 있다. 망간은 또한 경화능을 높이고 열처리 후 더 높은 강도에 기여할 수 있다. 과도하거나 제대로 제어되지 않은 망간은 인성, 편석, 용접성 및 상 안정성에 영향을 줄 수 있다. 고망간 오스테나이트강에서는 망간의 역할이 더욱 중요하다. 망간은 오스테나이트를 안정화하고 변태 및 변형 거동을 변화시킬 수 있다.

규소는 제강 과정에서 일반적으로 탈산제로 첨가된다. 규소는 페라이트를 강화하고 특정 용도에서 내산화성을 향상시킬 수 있지만, 규소 함량이 높아지면 인성이 저하되거나 용접 및 성형이 복잡해질 수 있다. 규소는 전기강판에서도 중요한데, 전기 비저항을 높이고 와전류 손실을 줄이기 때문이다. 일반적인 공학 표에서는 규소가 소량 성분으로 나타날 수 있지만, 특정 규격에서는 가공, 자기적 성능 또는 용접성에 필요하기 때문에 더 좁은 범위를 요구할 수 있다.

인은 일반적으로 불순물로서 관리된다. 인은 고용 강화에 의해 강도와 경도를 높일 수 있지만, 인 함량이 높으면 일반적으로 연성과 인성이 저하되며, 특히 불리한 열적 조건이나 편석 조건에서 취화를 촉진할 수 있다. 황은 황화물 개재물, 특히 황화망간을 형성하여 절삭성을 향상시키지만, 이러한 개재물은 횡방향 연성, 피로 저항성 및 두께 방향 인성을 저하시킬 수 있다. 따라서 쾌삭강은 압력용기용, 구조용 또는 고난도 용접 제품에서 제한되는 수준의 황 함량을 허용한다. 조성표는 허용량을 기록할 뿐이며, 개재물의 형상과 분포 또는 그로 인해 발생하는 기계적 거동을 그 자체로 설명하지는 않는다.

크롬, 니켈, 몰리브덴 및 질소

크롬은 경화능을 높이고 탄화물 형성을 촉진하며, 산화 및 수성 부식에 대한 저항성을 향상시킨다. 스테인리스강의 등급은 보호성 크롬 부화 산화 피막을 형성하기에 충분한 크롬을 요구하지만, 필요한 성능은 총 크롬 함량만으로 결정되지 않는다. 탄소, 질소, 몰리브덴, 표면 상태, 용접 이력 및 사용 환경이 모두 중요하다. 크롬은 페라이트를 안정화할 수 있으며, 크롬 탄화물 또는 금속간 화합물은 주변 기지에서 크롬을 제거하여 국부 부식 저항성을 낮출 수 있다.

니켈은 오스테나이트를 안정화하고 일반적으로 인성을 향상시키며, 특히 저온에서 그 효과가 크다. 오스테나이트계 스테인리스강에서 니켈은 면심입방 오스테나이트 구조를 유지하는 데 기여한다. 합금강에서는 크롬이나 몰리브덴과 같은 탄화물 형성 원소와 동일한 경향을 보이지 않으면서 경화능과 인성을 높인다. 따라서 니켈 함량은 상 균형, 자성 반응, 변태 거동 및 내식성에 영향을 준다. 많은 오스테나이트계 스테인리스강에 사용되는 익숙한 “18-8”이라는 표현은 대략적인 크롬-니켈 계열을 나타낼 뿐이며, ASTM A240과 같은 규격이나 SSINA 또는 Outokumpu가 제시하는 정확한 등급별 한계값을 대신할 수 없다.

몰리브덴은 경화능을 높이고 뜨임 연화에 대한 저항성을 향상시킨다. 스테인리스강에서는 특히 염화물이 존재하는 환경에서 공식 및 틈새 부식에 대한 저항성을 실질적으로 높인다. 또한 탄화물 및 금속간 화합물 형성에도 영향을 준다. 핸드북 표에서 인장 특성이 비슷하게 보이더라도, 몰리브덴을 포함하지 않은 명목상 유사 등급과 몰리브덴 함유 등급을 동등한 것으로 취급해서는 안 된다.

질소는 강력한 오스테나이트 안정화 원소이자 고용 강화 원소이다. 제어된 첨가는 일부 스테인리스강에서 항복강도와 공식 저항성을 높일 수 있다. 그러나 공정이나 등급에 비해 질소가 과도하면 기공, 질화물 형성 또는 불리한 상 균형이 발생할 수 있다. 듀플렉스 스테인리스강에서는 가공 후 의도된 페라이트-오스테나이트 비율을 유지하는 데 질소가 기여하므로, 표에 기재된 최소값과 최대값은 장식적인 화학 조성 값이 아니라 기능상의 요구사항이다.

잔류 원소, 미량합금 및 균형 요구사항

잔류 원소는 원료, 용해 작업, 내화물 또는 합금 첨가물에서 유입되며, 항상 의도적으로 첨가되는 주요 성분인 것은 아니다. 구리, 주석, 코발트, 안티몬, 납 및 바나듐은 등급 설명의 핵심이 아니더라도 표에 나타날 수 있다. 구리는 특정 구조용 강에서 대기 부식 저항성을 향상시킬 수 있는 반면, 주석과 안티몬은 열간 취성 또는 뜨임 취화와 관련된 문제에 기여할 수 있다. 납은 절삭성을 향상시킬 수 있지만 개재물의 거동과 용접 시 고려사항을 변화시킨다. 그 영향은 농도, 열 이력 및 다른 원소와의 상호작용에 따라 달라진다.

미량합금 원소의 첨가량은 적지만 영향력은 크다. 니오븀, 바나듐 및 티타늄은 탄질화물을 형성하여 오스테나이트 결정립 성장을 억제하고, 석출 강화를 일으키며, 제어 압연 중 재결정 거동을 변화시킨다. 0.03% Nb를 함유한 강은 명목상 강도가 비슷하더라도 탄소와 망간만을 함유한 강과 화학적으로 호환되는 것으로 볼 수 없다. 최종 결정립 크기, 석출물의 고용 상태, 압연 일정, 냉각 속도 및 후속 열처리에 따라 얻을 수 있는 효과의 정도가 결정된다.

균형 요구사항도 마찬가지로 중요하다. 스테인리스강 표에서는 탄소를 제한하는 동시에 오스테나이트, 페라이트 또는 듀플렉스 상의 안정성을 유지하기 위해 크롬, 니켈, 몰리브덴 또는 질소를 정해진 범위 내에 둘 것을 요구할 수 있다. 합금강 규격에서는 붕소를 좁은 범위 내에서만 요구할 수 있다. 미량 첨가만으로도 경화능이 향상될 수 있는 반면, 붕소가 과도하면 원치 않는 화합물이 형성되기 때문이다. 잔류 구리, 니켈, 크롬 및 몰리브덴도 의도적인 첨가 원소가 아니더라도 경화능에 영향을 줄 수 있다.

Nickel Institute는 합금 표에서 화학적, 기계적, 물리적 데이터와 규격 데이터를 구분하며, 이러한 구분은 바람직한 관행이다. Handbook of Comparative World Steel Standards 역시 국제 등급 간 화학 조성 비교와 기계적 성질 비교를 서로 구분한다. Eurocode 3은 EN 1993-1-1 제3.2.6절에 따라 S235, S275, S355, S420, S450 및 S460에 대한 설계 특성값을 제시하지만, 이러한 값은 설계 규격상의 값이지 특정 화학 조성 범위에서 보편적으로 발생하는 결과가 아니다. 제품 형태, 두께, 납품 상태, 시험 방향 및 열처리에 따라 요구되는 결과가 달라질 수 있다. 조성표는 화학적 범위를 규정한다. 나머지 규격 요건이 없이는 강도, 인성, 용접성, 내식성 또는 상 균형을 인증하지 않는다.

화학 조성만으로 기계적 특성이 결정되지 않는 이유

화학 조성표는 어떤 원소가 존재하며 그 함량이 어느 범위 내에 있는지를 보여 준다. 그러나 강재의 전체 물리적 이력을 보여 주지는 않는다. 탄소, 망가니즈, 규소, 크롬, 니켈, 몰리브덴, 바나듐, 니오븀, 티타늄, 인, 황 및 기타 원소는 경화능, 상 안정성, 고용 강화, 탄화물 형성 및 변태 거동에 영향을 미치지만, 그 영향은 온도, 변형, 냉각 및 단면 크기에 따라 달라진다.

이러한 구분은 ASM Metals Handbook에서 탄소강과 합금강을 다루는 방식의 핵심이다. ASM은 이들 강재의 특성이 화학 조성, 가공 및 미세조성의 복합적인 영향으로 결정된다고 설명한다. 따라서 강종 표기는 하나의 보편적인 인장강도, 항복강도, 연신율, 경도 및 인성 값의 집합이 아니라, 규격에서 관리되는 범위를 식별한다.

ASTM A400, Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties는 이 점을 직접적으로 보여 준다. 이 표준의 표 형식 지침은 강봉을 선정할 때 강종, 화학 조성, 가공 상태, 단면 크기 및 요구되는 최소 항복강도를 함께 고려한다. 화학 조성 항목 하나만으로는 이러한 기능을 수행할 수 없다. ASTM 제품 규격 역시 탄소강, 구조용강, 스테인리스강, 페라이트계강, 오스테나이트계강 및 합금강 전반에 걸쳐 화학적, 기계적, 금속학적 및 기타 재료 요구사항을 서로 구분한다. AISC도 구조용 제품에 대해 동일한 구분을 적용한다. 즉, 강재 형강과 강판에 관한 ASTM 규격에는 일반적으로 화학 조성 요구사항과 기계적 특성 요구사항이 모두 포함된다.

가공 이력과 열기계적 처리

동일한 벌크 조성이라도 제조 경로가 다르면 특성이 크게 달라질 수 있다. 압연은 단순히 강괴를 강판, 강봉 또는 형강으로 바꾸는 방법이 아니다. 열간 압연은 오스테나이트를 변형시키고, 주조 조직을 분쇄하며, 개재물의 형태를 변화시킨다. 또한 마무리 압연 온도와 압하 일정이 적절히 제어되면 결정립을 미세화할 수 있다. 통상적인 마무리 압연 온도보다 낮은 온도에서 제어 압연을 실시하면 냉각 후 미세한 페라이트 형성이 촉진될 수 있다. 그 결과 동일한 화학 조성을 가지면서도 가공 일정이 덜 엄격하게 제어된 재료보다 더 높은 항복강도와 향상된 인성을 갖는 재료가 얻어질 수 있다.

단조 역시 내부 조직을 변화시킨다. 변형을 통해 조대한 주조 결정립과 편석 밴드를 분쇄할 수 있으며, 단조 온도와 압하량은 재결정 및 결정립 미세화를 결정한다. 동일한 레이들 분석값을 가진 두 단조품이라도 한쪽에 더 큰 압하량이 적용되었거나 최종 단조 온도가 달랐다면 특성이 동일하지 않을 수 있다.

열처리는 더욱 큰 차이를 만든다. 노멀라이징은 강을 오스테나이트 변태 범위보다 높은 온도로 가열한 다음 공기 중에서 냉각하는 공정이며, 여러 탄소강 및 저합금강에서 비교적 미세한 페라이트-펄라이트 조직을 형성한다. 어닐링은 일반적으로 더 느린 냉각을 사용하므로, 조대한 펄라이트와 낮은 경도를 갖는 더 연한 조직이 형성된다. 담금질은 확산 변태를 억제하여 경도가 높은 과포화 상인 마르텐사이트를 형성할 수 있다. 담금질한 강은 취성을 줄이고 강도, 경도, 연성 및 인성을 조정하기 위해 일반적으로 뜨임 처리한다. 뜨임 온도와 시간은 중요하다. 저온 뜨임과 고온 뜨임은 동일한 특성 균형을 만들지 않는다.

경화능경화능 냉각 중 강이 특정 깊이까지 경질 변태 생성물을 형성할 수 있는 능력. 한 지점에서 측정한 경도와는 구별된다.

냉각 속도는 로의 가열·냉각 프로그램만으로 결정되지 않는다. 단면 두께가 열 방출을 좌우하므로, 두꺼운 봉의 표면은 중심부보다 훨씬 빠르게 냉각될 수 있다. 얇은 판은 거의 전부 페라이트와 펄라이트로 변태할 수 있는 반면, 동일한 조성을 가진 대형 단면재의 중심부는 냉각 속도가 충분히 높을 경우 베이나이트, 마르텐사이트 또는 복합 변태 생성물을 형성할 수 있다. 경화능은 강재가 단면 전체에 걸쳐 경질 변태 생성물을 형성할 수 있는 능력을 의미하며, 하나의 시험편에서 측정한 경도와 동일한 개념이 아니다.

열기계적 가공은 최종 화학 조성표만으로는 드러나지 않는 특성도 만들어 낼 수 있다. 강재에 니오븀, 바나듐 또는 티타늄을 미량합금 원소로 첨가하더라도, 이러한 원소가 고용 상태로 남는지, 재가열 중 탄질화물을 형성하는지, 또는 제어 냉각 중 석출하는지에 따라 강화 기여도가 달라진다. 가공 이력은 재료 정체성의 일부이다.

화학 조성과 특성을 연결하는 미세조직

기계적 시험은 주기율표상의 조성 자체가 아니라, 그 결과 형성된 미세조직의 반응을 측정한다. 항복강도는 전위의 이동에 대한 저항을 반영한다. 인장강도는 소성 유동 중 변형에 계속 저항하는 메커니즘과 국부 수축의 시작에 좌우된다. 연신율은 파괴가 일어나기 전까지 재료가 얼마나 균일하게 변형될 수 있는지에 따라 달라진다. 경도는 국부적인 소성 변형에 대한 저항을 나타낸다. 인성은 균열의 발생과 전파에 좌우되며, 여기에는 시험 온도, 하중 속도, 노치 조건 및 시험 방향이 포함된다.

미세조직은 이러한 반응을 화학 조성과 연결한다. 고용 상태의 탄소는 페라이트를 강화하지만, 과잉 탄소는 열적 이력에 따라 펄라이트, 시멘타이트 또는 마르텐사이트를 형성할 수도 있다. 망가니즈와 니켈은 변태 거동을 변화시키며 경화능을 향상시키거나 오스테나이트를 안정화할 수 있다. 크롬과 몰리브덴은 경화능과 탄화물 형성에 영향을 미친다. 규소는 페라이트를 강화하고 탈산에 영향을 준다. 이러한 효과는 조건에 따라 달라지는 것이며, 조성표에서 직접 읽어 낼 수 있는 가산적 상수들이 아니다.

예를 들어 저탄소강을 오스테나이트에서 서서히 냉각하면 페라이트와 펄라이트를 포함하게 되어, 유용한 연성과 함께 중간 정도의 강도를 나타낼 수 있다. 동일한 공칭 탄소 함량의 강재라도 경화능이 허용되는 조건에서 담금질하면 마르텐사이트 또는 베이나이트를 포함할 수 있으며, 훨씬 높은 경도와 강도를 나타낸다. 이 경우 뜨임하지 않은 상태에서는 일반적으로 인성이 낮다. 뜨임은 탄소의 재분배와 탄화물 석출을 가능하게 하여 마르텐사이트를 다시 변화시킨다. 최종 특성은 오스테나이트화 온도, 유지 시간, 담금질 매체, 단면 크기 및 뜨임 일정 등을 포함한 전체 공정 순서에 따라 결정된다.

변태 생성물은 하나의 부품 내부에서도 달라질 수 있다. 표면 영역은 중심부보다 더 높은 경도를 가질 수 있으며, 용접 열영향부는 모재나 용접 금속 어느 쪽과도 다른 미세조직을 형성할 수 있다. 한 위치에서 얻은 인장 값이 모든 위치나 방향을 자동으로 대표하는 것은 아니다.

결정립 크기, 상 균형 및 석출물

결정립 크기는 화학 조성만으로 강도나 인성을 독립적으로 결정할 수 없는 직접적인 이유이다. 미세한 페라이트 결정립은 일반적으로 결정립계 강화에 의해 항복강도를 높이며, 벽개 파괴에 대한 저항을 향상시킬 수 있다. 조대한 결정립은 저온 충격 인성을 낮추는 경우가 많지만, 측정 결과는 상 분포, 개재물 및 시험 방향에도 좌우된다. 결정립 미세화는 제어 압연, 노멀라이징 또는 오스테나이트 결정립 성장을 억제하는 미량합금 석출에 의해 이루어질 수 있다.

상 균형도 그에 못지않게 중요하다. 페라이트는 비교적 연하고 연성이 높으며, 펄라이트는 더 강하지만 연성이 낮다. 베이나이트와 마르텐사이트는 높은 강도를 제공할 수 있지만, 이들의 인성은 형태와 뜨임에 의해 좌우된다. 잔류 오스테나이트는 사용 중이나 시험 중에 변태하여 치수 안정성과 변형 거동을 변화시킬 수 있다. 화학 조성표는 탄소 및 합금 원소의 함량 한계를 제시할 수 있지만, 가공 및 금속조직학적 정보가 없으면 완성된 강재가 펄라이트 20%를 포함하는지, 베이나이트 기지를 갖는지, 또는 뜨임 마르텐사이트를 갖는지를 나타낼 수 없다.

석출물은 또 다른 변수를 추가한다. 미세한 니오븀, 바나듐 또는 티타늄 탄질화물은 오스테나이트 결정립계를 고정하고 변태 후 페라이트를 강화할 수 있다. 석출물의 크기, 개수 밀도, 조성 및 분포는 재가열, 변형 및 냉각에 따라 달라진다. 조대한 석출물은 강도에 거의 기여하지 않으면서 균열 발생 부위로 작용할 수 있다. 스테인리스강에서는 결정립계의 크롬 탄화물이 벌크 크롬 분석값이 강종 한계를 충족하는 경우에도 국부 내식성을 저하시킬 수 있다.

이 때문에 SSINA의 표는 ASTM 제품 규격이 적용되는 오스테나이트계 스테인리스강 강종에 대해 중량 백분율 조성과 규정된 기계적 특성을 함께 제시하면서도, 하나의 표를 다른 표의 대체물로 취급하지 않는다. Nickel Institute 역시 화학적, 기계적, 물리적 및 규격 데이터를 서로 다른 특성 분류로 제시한다. Eurocode 3은 EN 1993-1-1, 제3.2.6절에 따라 S235, S275, S355, S420, S450 및 S460의 설계 특성을 제시한다. 이러한 값은 적용되는 설계 표준, 제품 범주, 두께 및 설계 용도에 연계된 값이다.

Handbook of Comparative World Steel Standards에 수록된 표를 비롯한 비교표는 국제 강재 지정 간의 대략적인 관계를 보여 줄 수 있지만, 동등성을 확립하지는 않는다. Engineering ToolBox가 게재한 대표적인 조성 비교와 같은 자료는 개략적인 이해에 유용하지만, 관리 한계와 기계적 요구사항은 해당 제품 규격에서 확인해야 한다. 적용되는 표준, 제품 형태, 두께, 열처리, 시험 방향 및 시험 방법이 보고된 값의 의미를 결정한다. 화학 조성은 설명의 출발점이다. 그러나 설명의 종착점은 아니다.

기계적 특성 표: 열의 의미

기계적 특성 표는 화학 조성 표의 또 다른 버전이 아닙니다. 이는 특정 제품이 정해진 시험에서 어떻게 거동할 것으로 예상되거나, 어떻게 거동해야 하는지를 나타냅니다. 결과는 강재의 지정, 제품 형태, 열처리, 단면 크기, 두께, 시료 채취 위치, 시험 방향, 온도 및 적용 표준에 따라 달라집니다.

이러한 구분이 중요한 이유는 강종명이 재료의 완전한 식별 정보가 아니기 때문입니다. ASTM A400, Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties는 봉강 정보를 강종, 조성, 가공 상태, 단면 크기 및 요구되는 최소 항복강도에 따라 정리합니다. 따라서 동일한 명목 강종이라도 제품 형태나 치수가 달라지면 서로 다른 특성 요건으로 나타날 수 있습니다. 제품 규격을 명시하지 않은 채 강종 옆에 하나의 강도값만 제시한 표는 개괄적인 참고에는 유용할 수 있지만, 이를 규정 요건을 결정하는 사양으로 볼 수는 없습니다.

ASTM 강재 표준은 탄소강, 구조용강, 스테인리스강, 페라이트계강, 오스테나이트계강 및 합금강의 화학적, 기계적, 금속학적, 기타 재료 요건을 다룹니다. AISC 역시 구조용 강재 형강과 강판의 규격에는 일반적으로 화학 조성 요건과 기계적 특성 요건이 모두 포함된다고 설명합니다. 두 열 집합은 서로 다른 질문에 답합니다. 화학 조성은 어떤 원소가 존재할 수 있는지를 제한하는 반면, 기계적 시험은 공급된 제품의 거동을 확인합니다.

항복강도와 인장강도

항복강도는 시험편이 규정된 영구 소성변형을 일으키기 시작하는 응력입니다. 일부 강재에서는 응력–변형률 곡선에 뚜렷한 상항복점과 하항복점이 나타납니다. 다른 강재의 경우 표준에서는 내력을 사용하며, 일반적으로 0.2%의 영구 변형률을 발생시키는 응력을 의미합니다. 이는 많은 유럽 표준에서 $R_{p0.2}$로 표기되거나, 해당 ASTM 시험 방법에 따라 항복강도로 보고됩니다. 정확한 정의는 시험 표준과 제품 규격에 따라야 합니다.

표에 기재된 최소 항복강도는 모든 강재의 실제 특성을 예측한 값이 아니라 요구사항입니다. ASTM A572/A572M이 특정 강종, 두께 범위 및 제품 형태에 대해 최소 항복강도를 규정한다면, 적합한 시험 결과는 규정된 절차에 따라 그 값 이상이어야 합니다. 실제 측정 항복강도는 더 높을 수 있습니다. 항복강도는 용강 단위, 두께, 압연 압하율, 냉각 속도, 시료 채취 위치 및 시험 방향에 따라 달라질 수 있습니다. 최소값을 측정 특성인 것처럼 보고하면 이러한 차이가 사라집니다.

인장강도 또는 최대 인장강도는 인장시험 중 도달하는 최대 공칭응력입니다. 이는 가해진 최대 하중을 시험편의 원래 단면적으로 나누어 계산합니다. 최대 하중 이후에는 국부적인 네킹이 발생할 수 있으며, 파단될 때까지 재료가 계속 변형되는 동안에도 공칭응력은 감소할 수 있습니다.

최대 인장강도는 설계 저항과 동일하지 않습니다. 구조 설계값은 적용 설계기준에 따라 산정되며, 해당 기준은 저항계수, 부분계수, 좌굴 규정, 접합부 규정 및 두께에 따른 한계를 적용할 수 있습니다. Eurocode 3, EN 1993-1-1 Section 3.2.6은 S235, S275, S355, S420, S450 및 S460에 대한 설계 재료 특성을 제시합니다. 이러한 값은 설계 체계에 속하므로 일반적인 “인장강도” 열에 그대로 옮기거나 직접적인 시험 결과로 취급해서는 안 됩니다.

시험 자체에도 조건이 부여됩니다. ASTM E8/E8M과 ISO 6892-1은 시험편 형상, 표점거리, 하중 속도, 변형률 측정 및 계산과 같은 세부사항을 규정합니다. 판재, 봉재, 관재 및 단조품은 허용되는 시험편의 채취 위치와 방향이 서로 다를 수 있습니다. 압연 제품에서는 개재물, 집합조직 및 띠状 미세조직으로 인해 방향에 따른 차이가 발생하므로, 압연 방향과 횡방향의 결과를 서로 바꾸어 사용할 수 없습니다.

화학 조성만으로 결과를 결정할 수는 없습니다. ASM International의 Metals Handbook은 탄소강 및 합금강의 특성이 화학 조성, 가공 및 미세조성이 결합된 결과라고 설명합니다. 탄소, 망가니즈, 크로뮴, 니켈, 몰리브데넘 및 기타 원소는 경화능과 상 형성에 영향을 미치지만, 압연, 담금질, 뜨임, 노멀라이징, 석출 및 냉각 이력이 그러한 잠재력이 실제로 어떻게 나타나는지를 결정합니다.

연신율, 단면 수축률 및 연성

연신율은 파단 전에 발생하는 소성 신장을 측정합니다. 일반적으로 다음과 같이 백분율로 보고합니다.

$$A=\frac{L_f-L_0}{L_0}\times 100$$

표점 거리표점 거리 연신율을 측정하는 인장 시험편의 표시된 초기 길이.

여기서 $L_0$는 원래 표점거리이고 $L_f$는 파단 후 표점거리입니다. 이때 파단된 조각은 주의하여 다시 맞춥니다. 이 수치는 표점거리와 시험편 형상이 함께 제시될 때만 의미가 있습니다. “연신율 20%”라는 보고만으로는 비례 표점거리를 사용했는지, 50 mm 표점거리를 사용했는지, 축소 시험편을 사용했는지 또는 다른 형상을 사용했는지를 알 수 없습니다.

따라서 강재가 유사하더라도 서로 다른 표준의 연신율 값이 일관되지 않아 보일 수 있습니다. 짧은 표점거리는 국부 네킹의 기여를 더 크게 반영하는 경향이 있으므로, 긴 표점거리보다 더 높은 백분율을 나타낼 수 있습니다. 제품 두께 역시 사용 가능한 시험편 형상에 영향을 미치며, 경우에 따라 규정된 최소 연신율에도 영향을 줍니다. 그러므로 표는 연신율을 보편적인 강종 고유 상수처럼 제시하기보다 시험 지정과 표점거리를 함께 보존해야 합니다.

단면 수축률은 파단 위치에서 단면적이 감소한 정도를 측정합니다.

$$Z=\frac{A_0-A_f}{A_0}\times 100$$

여기서 $A_0$는 원래 단면적이고 $A_f$는 최종 최소 단면적입니다. 단면 수축률은 국부 소성변형에 특히 민감하며 연신율과는 다른 정보를 제공합니다. 강재는 상당한 단면 수축률을 나타내면서도 연신율은 다를 수 있습니다. 두 측정값이 균일 변형, 네킹, 시험편 형상 및 파단 위치에 서로 다르게 반응하기 때문입니다.

두 지표 모두 연성을 나타내지만, 연성은 하나의 단일한 재료 상수가 아닙니다. 연성에는 특정 응력 상태, 온도, 변형률 속도 및 형상에서 균열 없이 소성변형을 지속할 수 있는 능력이 포함됩니다. 인장 연신율 결과만으로 수소균열, 굽힘균열, 용접 열영향부 균열 또는 노치가 있는 상태에서의 파괴에 대한 저항성을 판단할 수는 없습니다. 또한 연신율이 높다고 해서 인성이 자동으로 높은 것도 아닙니다.

SSINA의 오스테나이트계 스테인리스강 강종 표는 적절한 형식을 보여 줍니다. 중량 백분율로 표시한 조성과 규정된 기계적 특성을 관련 ASTM 제품 규격에 따라 별도로 제시합니다. Nickel Institute 역시 화학 조성, 기계적 특성, 물리적 특성 및 규격 데이터를 서로 구분합니다. 비교표에서 이러한 범주를 인접한 페이지에 배치할 수는 있지만, 서로 인접해 있다고 해서 상호 대체 가능한 것은 아닙니다.

경도, 충격 인성 및 피로 관련 데이터

경도는 국부적인 소성변형에 대한 저항이며, 일반적으로 브리넬, 로크웰, 비커스 또는 누프 방법으로 측정합니다. HBW 190, 90 HRB 또는 210 HV와 같은 값은 스케일, 압자, 적용 하중 및 시험 표준이 함께 제시되지 않으면 불완전합니다. ASTM E10은 브리넬 경도, ASTM E18은 로크웰 경도, ASTM E384는 미소압입 경도를 다룹니다. 표면 상태, 곡률, 탈탄, 코팅 및 국부 미세조직은 측정값을 변화시킬 수 있습니다.

경도와 인장강도의 환산값은 물리 법칙이 아니라 상관관계입니다. 이러한 환산식은 일반적으로 특정 강재 계열과 경도 범위에 대해 개발됩니다. 오스테나이트계 스테인리스강, 고합금 공구강, 표면경화 재료, 용착금속 또는 경도 구배가 큰 제품에는 환산식이 적합하지 않을 수 있습니다. 인장강도가 합격 판정이나 설계를 좌우하는 경우, ASTM 환산표가 규정된 인장시험을 대신해서는 안 됩니다.

충격 에너지는 노치가 있는 시험편이 급격한 파괴 과정에서 흡수하는 에너지를 측정하며, 일반적으로 ASTM E23 또는 동등한 표준에 따른 샤르피 V 노치 시험으로 측정합니다. 보고값은 시험편 방향, 노치 형상, 온도, 치수 및 시험 절차에 따라 달라집니다. −20 °C에서 27 J이라는 샤르피 결과는 해당 시험 조건을 설명하는 것이며, 보편적인 인성 상수는 아닙니다.

충격 에너지는 파괴인성과도 구분해야 합니다. 일반적으로 $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ 또는 관련 매개변수로 보고되는 파괴인성은 규정된 시험편 형상, 두께, 하중 방식 및 구속 조건에서 균열 선단의 저항성을 나타냅니다. 샤르피 에너지는 재료 선별과 품질관리를 지원할 수 있지만, 평면변형 파괴인성 값으로 직접 대체할 수는 없습니다.

피로 데이터는 반복 또는 변동 응력 하에서의 거동을 나타냅니다. S–N 곡선은 응력 진폭과 파괴까지의 반복 횟수 사이의 관계를 나타내며, 균열성장곡선은 ASTM E647에서처럼 일반적으로 $\mathrm{da}/\mathrm{dN}$과 응력확대계수 범위 $\Delta K$ 사이의 관계를 나타냅니다. 결과는 응력비, 주파수, 표면 마감, 잔류응력, 환경, 시험편 크기, 노치 상태 및 파괴의 정의에 따라 달라집니다. 따라서 표에 단일 피로강도만 제시하는 것은 그러한 조건이 함께 기재되지 않는 한 의미가 없습니다.

Handbook of Comparative World Steel Standards가 이러한 이유로 화학 조성 비교와 기계적 특성 비교를 분리하는 것입니다. 표준 간 강종 대응은 의도된 조성이 유사함을 나타낼 수 있지만, 동일한 항복강도, 충격 성능, 피로 거동 또는 합격 요건을 입증하는 것은 아닙니다. 신뢰할 수 있는 표는 적용 표준, 제품 형태, 두께 또는 단면 범위, 시험 방법, 방향, 온도 및 각 값이 최소 요구사항인지, 측정 결과인지, 대표값인지 또는 설계 매개변수인지를 명시해야 합니다.

단면 크기, 두께, 제품 형태 및 시험 방향

강종명만으로는 하나의 고정된 기계적 성질 집합을 나타낼 수 없다. 요구되는 항복강도, 인장강도, 연신율, 충격 에너지, 경도 및 허용 편차는 두께, 단면 크기, 제품 형태, 열처리 및 시험 방향에 따라 달라질 수 있다. 따라서 화학 분석이 대략적으로 정확하더라도 이러한 조건이 명시되지 않은 “AISI 4140” 또는 “S355” 표는 불완전하다.

두께에 따른 강도 요구사항

두께는 강재 제품의 열 이력에 영향을 미친다. 얇은 판은 압연 또는 노멀라이징 후 빠르게 냉각되지만, 대형 단조품이나 두꺼운 판은 더 느리게 냉각되므로 상변태, 결정립 성장 및 편석에 서로 다른 영향이 나타난다. 그 결과 용강 분석값이 동일한 조성 한계 내에 있더라도 미세조직에 따라 강도와 인성이 달라질 수 있다. ASM International은 탄소강 및 합금강의 성질이 화학 조성, 가공 및 미세조직의 결합된 결과라고 설명한다. 화학 조성은 규격의 한 부분에 불과하다.

따라서 많은 제품 규격에서는 두께가 증가할수록 규정된 최소 항복강도를 낮춘다. 그 이유는 단순히 기하학적인 문제가 아니다. 두꺼운 단면은 균일하게 냉각하기가 더 어렵고, 중심부는 표면과 동일한 정도의 미세화 또는 변태를 겪지 않을 수 있다. 그러므로 모든 두께에 하나의 항복강도 값을 부여한 표는 두꺼운 재료에 대한 요구사항을 과도하게 높이거나, 크기 범주 간 차이를 과소평가할 수 있다.

16 mm 이하의 공칭 항복 강도 (MPa)16 mm 초과 40 mm 이하의 항복 강도 (MPa)

Eurocode 3은 EN 1993-1-1 제3.2.6절의 S235, S275, S355, S420, S450 및 S460 설계 물성표를 통해 이 점을 보여 준다. 표에 제시된 공칭 항복강도는 공칭 두께와 연계되어 있으며, 두께가 증가할수록 더 낮은 값이 적용된다. 따라서 “S355”라고 해서 모든 제품과 모든 두께에서 설계 항복강도가 355 MPa라는 의미는 아니다. 이 명칭은 적용되는 유럽 표준에 따른 한 등급을 나타내며, 실제로 적용되는 값은 두께에 의해 결정된다.

ASTM 제품에도 동일한 주의가 필요하다. ASTM A400, 강봉의 선택, 조성 및 기계적 성질에 관한 표준 실무 지침은 강종, 화학 조성, 가공 상태, 단면 크기 및 원하는 최소 항복강도에 따라 봉강 선택 지침을 제시한다. 이러한 구성은 중요하다. 이는 봉강이 어닐링 상태, 노멀라이징 상태, 담금질 및 뜨임 상태 또는 기타 열거된 상태 중 어느 상태로 공급되었는지와 관련 직경 또는 이에 상응하는 단면 크기를 함께 알지 못하면, 강종 항목이 완전한 재료 규격이 아니라는 점을 보여 준다.

따라서 기계적 성질표는 원 규격에 인쇄된 두께 또는 크기 구간을 그대로 유지해야 한다. 여러 구간을 하나의 “일반적인” 값으로 대체하면 표를 읽기는 쉬워지지만 규격에 대한 충실도는 떨어진다.

봉강, 판재, 형강, 단조품 및 강판

제품 형태는 외관상의 표시가 아니다. 이는 서로 다른 제조 경로를 나타내며, 제조 경로는 결정립 흐름, 표면 상태, 잔류응력, 개재물 분포 및 달성 가능한 기계적 성질을 좌우한다.

봉강은 일반적으로 열간 압연, 냉간 마무리 또는 더 큰 압연 소재를 절삭 가공하여 제조된다. 봉강의 요구사항은 직경, 폭 또는 단면적에 따라 구성될 수 있다. ASTM A400은 여기에서 특히 유용하다. 이 규격은 봉강의 강종을 단순히 화학 조성명으로 제시하지 않고, 가공 상태 및 단면 크기와 함께 조성 및 최소 항복강도 지침을 연계한다. 어닐링 상태의 4140 봉강과 담금질 및 뜨임 상태의 4140 봉강은 크롬, 몰리브덴, 탄소 및 망가니즈의 함량이 명목상 유사하다는 이유만으로 동일한 강도 값을 부여할 수 없다.

판재와 구조용 형강은 서로 다른 압연 방식을 따른다. AISC에 따르면 구조용 강재 형강 및 판재에 대한 ASTM 규격에는 일반적으로 화학 조성 요구사항과 기계적 성질 요구사항이 모두 포함된다. 예를 들어 ASTM A572/A572M은 판재, 형강 및 봉강과 같은 제품에 사용되는 고강도 저합금 구조용 강재를 규정하지만, 적용 요구사항은 구매 규격에 기재된 제품 및 강종 명칭에 따라 달라진다. 압연 구조용 형강에 기재된 값을 동일한 공칭 강종의 두꺼운 판재에 자동으로 적용해서는 안 된다.

강판은 별도의 성형 및 표면 요구사항을 갖는다. 냉간 압연 강판은 조질, 성형성 또는 소부경화 조건에 따라 기계적 성질이 관리될 수 있으며, 열간 압연 강판은 별도의 규격과 두께 범위를 적용받을 수 있다. “스테인리스강 304” 역시 그 자체로는 충분하지 않다. ASTM A240/A240M의 판재, 강판 및 스트립 요구사항은 ASTM A276/A276M의 봉강 요구사항이나 ASTM A182/A182M의 단조 부품 요구사항과 서로 바꾸어 적용할 수 없다. SSINA의 표는 ASTM 제품 규격이 적용되는 오스테나이트계 스테인리스 강종에 대해 질량 백분율 조성과 규정된 기계적 성질을 함께 제시하지만, 이러한 성질은 여전히 해당 제품 규격에 귀속된다.

단조품에는 또 다른 구분이 필요하다. 단조 변형은 결정립을 미세화하고 방향성 있는 금속 유동을 형성할 수 있으며, 최종 열처리는 판재나 봉강에 적용되는 열처리와 별도로 규정될 수 있다. 체결부품에는 냉간 헤딩, 나사 형상, 보증 하중 및 열처리 등을 포함하여 더 많은 조건이 추가된다. 탄소강 또는 합금강의 화학 조성표가 그럴듯한 일치를 보여 주더라도, 체결부품 규격은 일반적인 봉강 규격에는 없는 기계적 요구사항을 부과할 수 있다.

따라서 비교 자료는 주의 깊게 읽어야 한다. 세계 강재 규격 비교 핸드북은 국제 강재 명칭 체계 간 화학 조성 비교와 기계적 성질 비교를 구분하여 제시한다. 두 명칭 사이의 화학 조성이 일치한다고 해서 해당 제품 규격, 두께 범위, 열처리 또는 시험 요구사항이 동등하다는 증거가 되는 것은 아니다.

종방향, 횡방향 및 두께 방향 거동

압연은 결정립을 늘이고, 개재물을 정렬하며, 편석을 재분배한다. 그 결과 판재나 봉강은 길이 방향, 폭 방향 및 두께 방향에 따라 서로 다른 성질을 나타낼 수 있다. 종방향은 일반적으로 주 압연 방향 또는 압출 방향과 평행하고, 횡방향은 제품 면 내에서 이에 수직인 방향이며, 두께 방향 시험은 단-횡방향에서 시편을 채취하여 수행한다.

인장강도는 방향에 따라 다소 차이가 날 수 있지만, 연신율, 단면 수축률, 충격 인성 및 파면 형상은 더 크게 달라질 수 있다. 예를 들어 늘어난 황화 망가니즈 개재물은 단-횡방향에서 취약한 경로로 작용할 수 있다. 또한 두꺼운 판재는 중심선 편석이나 층상 찢김에 대한 저항성 저하를 겪을 수 있다. 층상 찢김은 판재 두께 방향으로 발생하는 인장 변형과 관련된 파괴 형태이다.

종방향 인장시험 결과를 횡방향 연성을 보장하는 것처럼 보고해서는 안 된다. 또한 한 방향에서 측정한 샤르피 충격값을 해당 규격의 시편 채취 및 노치 방향 규정을 확인하지 않은 채 다른 방향에 적용해서도 안 된다. 제품 규격은 시편이 종방향인지 횡방향인지, 어디에서 채취하는지, 두께가 허용 시험 방향에 어떤 영향을 미치는지를 규정하는 경우가 많다. 이러한 세부사항은 보고되는 연신율, 인성 및 이방성을 변화시킬 수 있다.

실무적으로는 다음 원칙을 적용해야 한다. 강종, 적용 규격, 제품 형태, 두께 또는 단면 크기, 가공 상태 및 시험 방향을 함께 기록해야 한다. 이러한 식별 체계가 없으면 조성표는 화학적으로 유용할 수 있어도, 함께 제시된 기계적 성질 값은 다른 강재 제품에 해당할 수 있다.

비교표에서의 탄소강과 합금강

강재 표는 여러 가지 질문에 답할 수 있지만, 동일한 열로 모든 질문에 답할 수는 없다. 화학 조성표는 탄소, 망간, 규소, 크롬, 니켈, 몰리브덴, 인, 황과 같은 원소의 한계값 또는 범위를 제시한다. 경화능 표는 담금질된 표면 아래로 강재가 어느 깊이까지 경도를 발현할 수 있는지를 설명한다. 기계적 특성표는 규정값 또는 시험값으로서 항복강도, 인장강도, 연신율, 경도, 충격에너지 또는 피로 데이터를 제시한다. 이러한 기능을 혼동하는 것은 강종 비교 페이지가 부정확한 한계값을 제시하는 흔한 원인이다.

강종 지정만으로는 문제가 해결되지 않는다. ASTM A400, Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties는 봉강을 강종, 화학 조성, 가공 상태, 단면 크기 및 요구되는 최소 항복강도에 따라 체계화한다. 이러한 구조는 강종명을 완전한 재료 식별자로 취급해서는 안 된다는 점을 보여 준다. 표가 화학 조성은 올바르게 비교하면서도, 제시된 값이 다른 제품 형태, 열처리, 직경 또는 두께에 적용되는 값이어서 강도를 잘못 지정할 수 있다.

탄소강의 조성 범위

탄소강은 일반적으로 탄소 함량과 상대적으로 적은 양의 기타 합금 원소를 기준으로 분류된다. 비교표에서는 저탄소강이 약 0.05–0.25 wt% C, 중탄소강이 약 0.25–0.60 wt% C, 고탄소강이 대략 0.60 wt% C를 초과하는 범위로 나타날 수 있다. 이는 분류를 위한 범위이지, 모든 경우에 적용되는 보편적인 규격 한계값은 아니다. 경계값은 기술 참고문헌, 국가별 체계, 제품 규격 및 역사적 사용 관행에 따라 달라진다.

Engineering ToolBox의 비교표는 탄소, 크롬, 망간, 몰리브덴, 니켈, 인, 황 및 규소의 중량 백분율을 사용하여 대표적인 강종을 나란히 배치한다. 이 표는 광범위한 화학적 관계를 파악하는 데 유용하다. 일반적으로 보통 탄소강에는 의도적으로 첨가된 크롬, 니켈 또는 몰리브덴이 거의 없는 반면, 저합금강에는 이들 중 하나 이상이 관리된 양으로 첨가된다. 그러나 이 표를 구매 규격이나 용강 성적서의 기준 조성으로 그대로 사용해서는 안 된다. 대표값은 일반적인 강종 계열을 보여 주는 것이며, 규격은 허용 범위, 최대값, 최소값 또는 잔류 원소 한계값을 규정한다.

“탄소강”이라고 해서 탄소만 관리되는 원소라는 뜻도 아니다. 망간은 강도와 경화능에 영향을 미치고, 규소는 탈산 및 강화에 사용될 수 있으며, 인과 황은 과도한 양이 인성, 연성, 용접성 또는 열간 가공 특성을 저하시킬 수 있기 때문에 일반적으로 제한된다. 어떤 한계값이 적용되는지는 해당 ASTM, EN, JIS 또는 기타 제품 규격에 따라 결정된다. ASTM의 강재 규격은 탄소강, 구조용강, 스테인리스강, 페라이트계 강, 오스테나이트계 강 및 합금강에 걸쳐 화학적, 기계적, 금속학적 및 재료 요구사항을 다룬다. 따라서 지정은 해당 강재를 규정하는 표준과 제품 범주 안에서만 의미를 갖는다.

탄소 함량만으로 보증된 인장강도를 직접 환산할 수도 없다. 동일한 공칭 조성이라도 열간 압연, 노멀라이징, 담금질 및 뜨임, 풀림 또는 냉간 마무리 후에는 서로 다른 특성이 나타날 수 있다. ASM International은 탄소강 및 합금강의 특성이 화학 조성, 가공 및 미세조합이 결합된 결과라고 설명한다. 결정립 크기, 펄라이트 간격, 마르텐사이트 분율, 탄화물 분포, 잔류응력 및 뜨임 조건은 강종 표시를 바꾸지 않고도 측정 결과를 변화시킬 수 있다.

저합금강의 강화와 경화능

저합금강은 탄소–망간을 기본으로 하면서 그 외의 원소를 관리된 양으로 첨가하여 강도, 경화능, 인성, 뜨임 저항성, 내마모성 또는 고온 특성을 변화시킨다. “저합금”은 분류상의 설명이지 특정 강도 수준을 보장하는 표현이 아니다. 0.30%C 크롬-몰리브덴강과 노멀라이징된 구조용강은 모두 합금강 표에 나타날 수 있지만, 각각 다른 목적에 맞게 규정되고 시험된다.

강도는 여러 메커니즘을 통해 증가할 수 있다. 합금 원소는 결정립을 미세화하고, 고용 강화 효과를 높이며, 탄화물 또는 질화물을 형성하거나, 냉각 후 더 많은 양의 마르텐사이트가 형성되도록 할 수 있다. 이러한 메커니즘이 실제로 발현되는지는 가공 조건에 의해 결정된다. 담금질 및 뜨임 처리된 4140 계열 강은 동일한 조성의 풀림 상태보다 훨씬 높은 강도와 경도를 가질 수 있으며, 노멀라이징 상태는 연성과 인성의 균형이 또 다르게 나타날 수 있다.

경화능은 경도와 동일하지 않다. 경도는 특정 위치 또는 시험 표면에서 측정되는 저항값이다. 경화능은 냉각 중 강재가 일정 깊이까지 경질 변태 생성물을 형성할 수 있는 능력이다. Metallus의 Practical Data for Metallurgists는 표준 강재를 화학 조성, 경화능 정보 및 치수 공차와 함께 제시하여, 이러한 데이터가 별도의 표 항목에 속하는 이유를 보여 준다. 예를 들어 조미니 단부 담금질 곡선은 담금질된 단부로부터의 거리에 따른 경도를 나타내지만, 그 자체로 완성된 봉강의 항복강도를 증명하지는 않는다.

두꺼운 봉강은 중심부가 표면보다 더 느리게 냉각되므로 단면 크기가 중요하다. 25 mm 단면에 충분한 경화능을 가진 강재라도 100 mm 단면 전체에 동일한 변태 조직을 형성하지 못할 수 있다. 담금질 매체, 교반, 가열로 운전 조건, 이전 오스테나이트 결정립 크기 및 뜨임도 결과에 영향을 미친다. 따라서 상태, 단면 크기 및 시험 위치를 명시하지 않고 “대표 경도”만 제시하는 표는 비교 자료일 뿐, 보증된 특성값을 제공하는 것이 아니다.

기계적 특성 요구사항은 제품 규격에 의해 관리된다. AISC는 구조용 형강 및 강판에 대한 ASTM 규격이 일반적으로 화학 조성과 기계적 특성에 관한 요구사항을 모두 포함한다고 설명한다. 이러한 요구사항에는 최소 항복강도, 인장강도, 연신율 및 경우에 따라 충격 인성이 포함될 수 있다. 요구값은 두께에 따라 달라질 수 있다. Eurocode 3, EN 1993-1-1 Section 3.2.6은 S235, S275, S355, S420, S450 및 S460에 대한 설계용 재료 특성을 제시한다. 이는 해당 구조용 지정에 연계된 설계기준값이지, 다른 곳에서 유사한 숫자를 가진 모든 강재에 보편적으로 적용되는 특성이 아니다.

크롬, 니켈, 몰리브덴 및 망간의 역할

크롬은 경화능을 높이고 탄화물 형성, 내마모성, 내산화성 및 내식성에 기여할 수 있다. 중요한 것은 첨가량과 금속학적 상태이다. 저합금 담금질 및 뜨임 강에 소량의 크롬을 첨가했다고 해서 스테인리스 강종과 동등해지는 것은 아니다. 스테인리스강의 분류에는 규정된 내식성 조직을 확보할 수 있도록 충분한 크롬과 함께 해당 탄소 및 기타 원소의 한계값이 요구된다.[5][5] Properties of Some Metals and Alloys. Nickel Institute. Nickel Institute technical guide.

니켈은 특히 저온에서 경화능과 인성을 높이며, 적절한 조성에서는 오스테나이트 조직을 안정화한다. 니켈 합금 저온용 강과 오스테나이트계 스테인리스강에서 중요하지만, 니켈의 존재만으로 어느 한 범주에 해당한다고 판단할 수는 없다. Nickel Institute는 표 형식의 참고자료에서 화학 조성, 기계적 특성, 물리적 특성 및 규격을 구분한다. 이는 이러한 증거 유형을 서로 분리하여 관리하는 데 유용한 방식이다.

몰리브덴은 경화능을 향상시키고 뜨임 중 강도를 유지하는 데 도움을 준다. 또한 특정 뜨임 취성 위험을 줄이고 고온 성능을 높일 수 있다. 크롬-몰리브덴강에서 몰리브덴의 효과는 비교표에 인쇄된 단일 백분율이 아니라 탄소 수준, 크롬 함량, 열처리 및 단면 크기에 따라 달라진다.

망간은 탄소강과 저합금강에서 흔히 사용된다. 망간은 고용 강화에 기여하고, 황과 결합하여 유해한 황화철의 영향을 줄이며, 경화능을 높인다. 그러나 과도한 망간은 용접성과 변태 거동에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 규정된 망간 범위는 탄소, 황, 규소 및 가공 상태와 함께 해석해야 한다.

Handbook of Comparative World Steel Standards는 국제 지정 체계 전반에서 화학 조성 비교표와 기계적 특성 비교표를 서로 분리하여 제시한다. 이러한 분리는 필수적이다. 유사한 지정은 유용한 조성 비교를 의미할 수 있지만, 항복강도, 인성, 경화능 또는 열처리 반응이 동등하다는 것을 입증하지는 않는다. 보고된 수치가 무엇을 의미하는지는 적용되는 규격, 제품 형태, 두께, 납품 상태, 시험 방향 및 명시된 시험 방법에 따라 결정된다.

스테인리스강의 조성 및 특성 표

스테인리스강 표는 그 적용 범위가 명확할 때에만 유용하다. 예를 들어 “304 스테인리스강”은 널리 알려진 합금 계열을 식별하지만, 그 자체만으로 해당 재료가 판재, 후판, 봉재, 튜브, 단조품인지, 또는 ASTM A240, ASTM A276, ASTM A479, ASTM A213이나 다른 규격에 따라 공급되는 제품인지는 명시하지 않는다. 이러한 규격은 서로 다른 제품 요구사항, 열처리 규정, 치수, 시험 조항 및 기계적 특성 한계값을 부과할 수 있다.

이러한 차이가 조성 표와 특성 표를 구분한다. 조성 표는 크롬, 니켈, 탄소, 망가니즈, 규소, 몰리브데넘, 인, 황, 질소와 같은 원소의 허용 중량 백분율 범위를 제시한다. 기계적 특성 표는 특정 제품 및 상태에 대한 최소 인장 강도, 항복 강도, 연신율 또는 경도와 같은 값을 제시한다. ASTM A400은 강봉의 경우 더 광범위한 관점을 제시한다. 즉, 선정은 강종, 화학 조성, 가공 상태, 단면 크기 및 요구되는 최소 항복 강도에 따라 결정된다. 따라서 강종 명칭은 식별을 위한 단서일 뿐, 완전한 재료 규격은 아니다.

SSINA는 ASTM 제품 규격이 적용되는 오스테나이트계 스테인리스 강종에 대해 조성 표와 규정된 기계적 특성을 발표한다. Outokumpu의 Stainless Steel Handbook 역시 강종의 화학 조성과 기계적·물리적 데이터를 구분한다. 이러한 참고자료가 중요한 이유는 표에 기반한 비교의 한계를 보여 주기 때문이다. 화학 조성은 합금 계열을 식별할 수 있지만, 특성 요구사항은 특정 제품 규격 및 공급 상태에 귀속된다.

오스테나이트계, 페라이트계, 마르텐사이트계 및 기타 스테인리스강 계열

304, 304L, 316, 316L, 321, 347 및 310S를 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강은 일반적으로 크롬-니켈 또는 크롬-니켈-몰리브데넘 조성과 상온에서의 오스테나이트 미세조직으로 식별된다. 이들은 일반적으로 마르텐사이트계 강종과 같은 방식으로 담금질하여 경화되지 않는다. 그러나 특히 판재와 띠강에서는 냉간가공에 따라 강도가 크게 달라질 수 있다.

430 및 409와 같은 페라이트계 강종은 주로 크롬강이며, 의도적으로 첨가된 니켈이 거의 없거나 전혀 없다. 이들의 체심입방 페라이트 조직은 자기 응답, 용접성, 인성 및 성형 거동에 영향을 미친다. 410, 420 및 440C를 포함하는 마르텐사이트계 강종은 오스테나이트화 및 담금질에 반응할 수 있을 만큼 충분한 탄소와 합금 원소를 함유한다. 이들의 경도와 강도는 열처리에 크게 좌우되므로, 공칭 화학 조성만을 보여 주는 표로는 공급된 재료의 상태를 나타낼 수 없다.

기타 계열로는 17-4 PH와 같은 석출경화계 강종, 2205와 같은 듀플렉스 강종, 2507과 같은 슈퍼듀플렉스 강종이 있다. 듀플렉스 스테인리스강은 페라이트상과 오스테나이트상을 함께 가지며, 상의 균형은 화학 조성, 용체화 어닐링, 냉각 및 제품 두께에 따라 달라진다. 따라서 적용되는 제품 규격과 열처리를 생략한 “2205” 표는 중요한 야금학적 요구사항을 감출 수 있다.

명칭 체계 자체도 서로 다르다. ASTM 및 UNS 참조에서는 일반적으로 304를 UNS S30400, 316을 UNS S31600으로 식별하는 반면, 저탄소 변형 강종은 304L, UNS S30403 및 316L, UNS S31603으로 표기한다. X5CrNi18-10 및 X2CrNiMo17-12-2와 같은 유럽 명칭은 이와 관련되지만, 모든 ASTM 제품 명칭과 자동으로 호환되는 것은 아니다. 이러한 이유로 Handbook of Comparative World Steel Standards는 비교용 화학 조성 표와 기계적 특성 표를 분리하여 제시한다. 명칭이 유사하다고 해서 한계값이 동일한 것은 아니다.

크롬, 니켈, 몰리브데넘, 탄소 및 질소

크롬은 얇고 크롬이 풍부한 부동태 피막의 형성을 촉진하기 때문에 스테인리스강을 규정하는 핵심 첨가 원소이다. 조성 표에는 최소 크롬 함량이 표시될 수 있지만, 내식성은 표면 상태, 환경, 열처리, 개재물, 용접부, 염화물 또는 산에 대한 노출에도 좌우된다. 내식성은 항복 강도나 연신율과 같은 단일 기계적 특성이 아니며, 시험 방법과 노출 조건 없이 인장 강도와 동일한 열에 제시해서는 안 된다.

니켈은 오스테나이트를 안정화하고 상의 균형, 인성, 연성 및 가공경화 거동에 영향을 미친다. 공칭상 유사한 두 오스테나이트계 강종도 니켈 한계값이 서로 다를 수 있으며, 그 결과 성형 또는 용접 중 안정성이 달라질 수 있다. 몰리브데넘은 많은 염화물 함유 환경에서 국부 부식에 대한 저항성을 향상시킨다. 따라서 316과 304는 모두 오스테나이트계 크롬-니켈 스테인리스강이라는 이유만으로 서로 대체할 수 없다. 316에는 관리된 몰리브데넘 첨가가 포함되지만, 304에는 동일한 몰리브데넘 요구사항이 없기 때문이다.

탄소는 화학적으로도 야금학적으로도 중요하다. 304L 및 316L과 같은 “L” 강종은 일반 탄소 등급에 비해 탄소 최대 함량을 제한한다. 탄소 함량이 낮으면 용접 중 크롬 탄화물 석출 및 그에 따른 입계 부식의 위험이 감소하지만, 최종 결과는 여전히 용접 작업, 단면 두께, 열 이력 및 용접 후 처리에 따라 달라진다. 안정화 강종은 또 다른 차이를 보인다. 321은 티타늄을 사용하고, 347은 콜럼븀(나이오븀)을 사용하여 탄소를 결합하고 규정된 조건에서 예민화 위험을 줄인다.

질소는 우발적인 불순물로 취급하기보다 의도적으로 관리될 수 있다. 질소는 오스테나이트계 스테인리스강을 강화하며, 듀플렉스 강종에서는 내식성과 상의 균형에도 기여한다. 크롬과 니켈만을 비교하는 표는 두 강종 사이의 중요한 차이를 놓칠 수 있다. 탄소, 질소, 몰리브데넘 및 안정화 첨가 원소가 서로 유사해 보이는 명칭을 가진 강종의 강도, 용접성 또는 부식 시험 요구사항을 다르게 만드는 원인일 수 있다.

Engineering ToolBox가 발표한 표를 포함한 대표적인 비교 표는 탄소, 크롬, 망가니즈, 몰리브데넘, 니켈, 인, 황 및 규소의 전반적인 경향을 보여 주는 데 도움이 될 수 있다. 그러나 이러한 표는 적용되는 지배 규격을 대체하지 않는다. ASTM A240의 허용 범위는 ASTM A276 또는 이에 상응하는 EN 제품 규격의 허용 범위와 다를 수 있다.

오스테나이트계 스테인리스 강종의 규격 요구사항

오스테나이트계 강종에 대한 완전한 표에는 최소한 규격, 제품 형태, 강종, 열처리 상태, 두께 또는 단면 범위, 시험 방향 및 적용 시험 방법이 명시되어야 한다. ASTM A240은 압력용기 및 일반 용도의 크롬강 및 크롬-니켈 스테인리스강 후판, 판재 및 띠강을 다룬다. ASTM A276은 스테인리스강 봉재 및 형강을 다루며, ASTM A479는 압력용기 및 일반 용도의 봉재와 형강을 다룬다. ASTM A213은 이음매 없는 페라이트계 및 오스테나이트계 합금강 보일러관, 과열기관, 열교환기 관 및 응축기 관을 다룬다. 이 문서들에 동일한 강종 명칭이 나타난다고 해서 모든 기계적 요구사항이 동일하다는 의미는 아니다.

오스테나이트계 규격은 일반적으로 최소 인장 강도, 최소 항복 강도 및 최소 연신율을 규정하지만, 이러한 값은 지정된 제품과 두께에 귀속된다. 냉간압연 띠강은 변형의 영향으로 어닐링된 후판보다 강도가 높을 수 있다. 봉재의 특성은 직경과 열처리에 따라 달라질 수 있다. 압연 또는 인발로 이방성이 발생하는 경우 시험 방향이 중요할 수 있다. 경도 한계는 인장 시험을 대체하기보다는 보완할 수 있다.

ASTM 제품 규격은 화학 조성과 인장 시험을 넘어, 해당되는 경우 용체화 어닐링, 담금질, 결정립 크기, 입계 부식 시험, 수압 시험 또는 비파괴 검사 및 치수 공차에 관한 요구사항도 부과한다. AISC는 ASTM 구조용 강재 규격이 일반적으로 화학 조성과 기계적 특성에 관한 요구사항을 모두 포함한다고 설명한다. 개별 요구사항은 제품 규격에 따라 달라지지만, 동일한 원칙이 스테인리스 제품에도 적용된다.

Nickel Institute은 합금 참고자료를 화학적, 기계적, 물리적 및 규격 표로 구분하여 정리한다. 이러한 방식은 하나의 강종에 보편적인 인장 강도 또는 내식성 등급을 부여하는 것보다 신뢰성이 높다. ASTM, SSINA 및 Outokumpu의 데이터는 규격과 연계된 정보로 읽어야 한다. 화학 조성은 허용되는 합금을 규정하는 반면, 가공과 미세조직은 공급된 재료의 거동 대부분을 결정한다. 이러한 연계를 생략한 표는 깔끔해 보일 수는 있지만, 충분한 재료 기록은 아니다.

구조용 강재 표와 설계값

구조용 강재 표에서는 S235, S275, S355, S420, S450, S460을 강도 순서에 따라 깔끔하게 배열하는 경우가 많다. 이러한 제시는 유용하지만 불완전하다. 해당 명칭은 표준 체계 내에서 구조용 강재의 한 등급을 식별할 뿐이며, 그 자체로 보편적인 화학 분석값, 제품 형태, 열처리, 두께 범위 또는 인증된 시험 결과를 규정하지는 않는다.

Eurocode 3 재료 표는 설계 재료의 참고자료이지, 구매 또는 화학 성분 표가 아니다. 표의 값은 EN 1993-1-1, 3.2.6절에 연계되어 있으며, 관련 제품 표준과 함께 해석해야 한다. 강판, 열간 압연 형강, 중공 단면, 단조 부품 및 체결재는 서로 관련된 명칭을 가질 수 있지만, 각각 다른 요구사항의 적용을 받을 수 있다.

S235, S275, S355, S420, S450 및 S460

이러한 유럽식 명칭에서 “S”는 구조용 강재를 의미하며, 뒤따르는 숫자는 일반적으로 지정된 기준 두께, 통상 16 mm 이하의 재료에 대한 공칭 최소 항복강도를 메가파스칼 단위로 나타낸다. 따라서 이 관례에 따르면 S235는 235 MPa, S275는 275 MPa, S355는 355 MPa를 의미한다. 마찬가지로 S420, S450 및 S460은 각각 420, 450 및 460 MPa의 공칭 항복강도 수준을 나타낸다.

이러한 수치는 모든 두께에서 일정하지 않다. 두께가 증가하면 지정된 최소 항복강도가 낮아질 수 있다. 두꺼운 제품은 제조 중 냉각 방식이 다르고, 두께 방향의 특성이 상대적으로 불리해질 수 있기 때문이다. EN 1993-1-1 설계 표에서 16 mm 이하 재료의 공칭값은 각각 235, 275, 355, 420, 450 및 460 MPa이다. 더 큰 두께 구간에서는 허용되는 설계값이 감소한다. 예를 들어 16 mm 초과 40 mm 이하 두께에 흔히 사용되는 값은 S235의 경우 약 225 MPa, S275는 265 MPa, S355는 345 MPa, S420은 400 MPa, S450은 430 MPa, S460은 440 MPa이다. 정확한 값은 보간하여 추정하지 말고 해당 표와 재료 표준에서 확인해야 한다.

인장강도는 별도의 요구사항이다. 이러한 등급과 관련된 대표적인 최소–최대 범위에는 S235의 약 360–510 MPa, S275의 370–530 MPa, S355의 470–630 MPa, S420의 520–680 MPa, S450의 550–720 MPa, S460의 540–720 MPa가 포함된다. 다만 실제 범위는 제품 유형, 두께 및 공급 상태에 따라 달라진다. 이 범위들은 서로 겹친다. S460은 단순히 S355보다 인장강도가 105 MPa 높다고 해서 정의되는 것이 아니며, S355 범위의 상한에 가까운 시험 결과가 나왔다고 해서 해당 재료가 S460이 되는 것도 아니다.

접미사에도 정보가 포함된다. S355JR, S355J0 및 S355J2와 같은 명칭은 시험 온도 및 흡수 에너지와 관련된 충격 인성 요구사항을 포함한다. S355N 또는 S355M과 같은 명칭은 EN 10025 계열에 따른 공급 상태를 식별한다. 따라서 접미사가 생략된 명칭은 인성, 제조 경로 및 규격 적합성을 구분하는 데 필요한 정보를 누락할 수 있다.

화학 성분은 여전히 중요하지만, 표 전체를 설명하지는 않는다. ASTM A400, Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties는 등급, 화학 조성, 가공 상태, 단면 크기 및 요구되는 최소 항복강도에 따라 선택 기준을 체계화한다. 이러한 구조는 핵심적인 점을 보여준다. 즉, 조성과 강도는 서로 관련되어 있지만 동일한 항목으로 대체할 수는 없다. ASM International은 탄소강 및 합금강의 특성이 화학 조성, 가공 및 미세조직의 복합적인 영향에서 비롯된다고 설명한다. 탄소 함량, 망가니즈, 규소, 합금 원소의 첨가, 결정립 미세화, 압연 이력, 냉각 및 용접 열사이클은 모두 보고되는 결과에 영향을 줄 수 있다.

재료 특성과 설계 저항

재료 특성은 강재에 대해 측정되거나 규정된 특성이다. 항복강도, 최대 인장강도, 연신율, 충격 에너지 및 화학 성분의 제한값이 이에 해당한다. 설계 저항은 이러한 특성에 설계 표준이 안전계수, 단면 규정, 좌굴 모델, 안정성 한계 및 기타 조건을 적용한 후 계산되는 값이다.

인장 상태의 단면에 대해서는 단순화된 Eurocode 식에서 다음과 같이 항복 저항을 사용할 수 있다.

$$N_{\mathrm{pl},\mathrm{Rd}}=\frac{A{f}_y}{{\gamma }_{M0}},$$

여기서 $A$는 해당 면적, $f_y$는 두께에 따른 항복강도, ${\gamma }_{M0}$는 국가 부록(National Annex)에서 규정하는 부분계수이다. 이는 인장시험 결과가 아니다. 특정 설계 코드에 따라 특정 파괴 모델에 대해 부여되는 저항값이다.

압축과 휨에는 추가 검토가 필요하다. 판의 국부 세장비가 전체 총단면적이 소성 저항에 도달하는 것을 방해할 수 있다. 부재 좌굴에서는 세장비와 좌굴곡선에 기초한 감소계수가 도입된다. 강재의 항복강도가 높더라도 보에서는 횡-비틀림 좌굴이 지배적일 수 있다. 용접 접합부는 용접 금속, 열영향부, 순단면 및 제작 품질에 대해 별도의 검토가 필요할 수 있다.

이 구분은 또한 더 높은 등급의 강재가 모든 설계능력을 자동으로 비례하여 증가시키는 것은 아닌 이유를 설명한다. 기하학적 세장비가 여전히 지배적인 경우, Euler식 좌굴에 의해 지배되는 기둥은 S355에서 S460으로 등급을 높여도 얻는 이점이 크지 않을 수 있다. 볼트 구멍 순단면적 또는 블록 찢김이 지배하는 접합부는 항복하는 총단면과 동일한 비율로 이점을 얻지 못할 수 있다. 설계 저항은 등급 명칭 자체가 아니라 부재와 파괴 모드에 귀속된다.

EN 1993-1-1 및 제품 표준의 맥락

EN 1993-1-1은 강구조물 설계를 위한 일반 규정을 제시하고, 3.2.6절에서 일반적으로 사용되는 구조용 강재 등급의 공칭 재료 특성을 규정한다. 그러나 제조, 화학 조성, 허용오차, 시험, 공급 상태 및 인증을 관리하는 제품 표준을 대체하지는 않는다.

구조용 제품에서는 EN 10025 계열이 핵심적인 역할을 한다. EN 10025-2는 비합금 구조용 강재를 다루고, EN 10025-3은 노멀라이징 또는 노멀라이징 압연된 용접 가능 세립 구조용 강재를 다루며, EN 10025-4는 열기계 압연된 용접 가능 세립 강재를 다룬다. 그 밖의 제품 표준은 중공 단면, 냉간 성형 제품 및 스테인리스 구조용 제품을 규정한다. 명칭은 제품 형태 및 표준과 함께 해석해야 한다. SteelConstruction.info도 유럽 구조용 강재 등급을 화학적 및 기계적 요구사항을 규정하는 표준과 연결하여 이러한 체계를 반영한다.

따라서 탄소, 망가니즈, 인, 황, 규소, 크로뮴, 니켈 또는 몰리브데넘을 보여주는 화학 성분 표는 기계적 특성 표를 대체할 수 없다. 마찬가지로 기계적 특성 표도 완전한 구매 규격은 아니다. AISC는 ASTM 구조용 강재 규격에 관한 설명에서 동일한 구분을 제시한다. 형강과 강판에 대한 요구사항에는 일반적으로 화학 조성 및 기계적 특성에 관한 규정이 모두 포함된다. 또한 ASTM 표준은 탄소강, 구조용 강재, 스테인리스강, 페라이트계 강재, 오스테나이트계 강재 및 합금강을 서로 다른 시험 및 합격 판정 규칙을 적용하는 규격으로 구분한다.

Nickel Institute, SSINA, Engineering ToolBox 및 강재 표준 비교 편람의 참고 표는 체계별 등급을 정리하는 데 도움이 될 수 있다. 그러나 이러한 표의 항목은 지배적인 제한값이 아니라 대표값, 축약값 또는 비교용 값일 수 있다. 지배 문서는 해당 제품 및 두께에 대해 인용된 판본의 제품 표준이다. S355가 제조 및 설계 맥락에서 분리된 명칭이 아니라 규정된 재료가 되는 것은 바로 이 수준에서이다.

선택 및 해석의 모델로서의 ASTM A400

ASTM A400, 강봉의 표준 실무: 선택 지침, 조성 및 기계적 성질은 유용한 모델이다. 이 표준은 강종을 자체적으로 완결된 재료 정체성으로 취급하지 않기 때문이다. ASTM A400의 표는 일반적인 강재 차트에서 서로 분리되거나 누락되는 경우가 많은 여러 조건을 연결한다. 여기에는 강종 지정, 화학 조성, 제조 상태, 단면 크기 및 요구되는 최소 항복 강도가 포함된다.

이러한 구조는 중요하다. 화학 조성표는 한 가지 질문에 답한다. 즉, 해당 강종에 어떤 원소가 규정되어 있으며 그 허용 범위는 얼마인가? 기계적 성질표는 또 다른 질문에 답한다. 명시된 시험 및 제품 조건에서 요구되는 강도, 경도, 연성 또는 인성은 얼마인가? ASTM A400은 이러한 질문을 선택 문제와 함께 제시하지만, 이들 사이의 구별을 없애지는 않는다.

AISI 또는 ASTM 강종명은 선택 범위를 좁혀 줄 수 있지만, 공급되는 강봉에 적용되는 모든 요구사항을 규정하지는 않는다. 실제로 적용되는 제품 규격이 여전히 우선한다. 명시된 크기 범위, 열처리, 표면 마감, 시료 채취 위치, 시험 방향 및 합격 기준도 마찬가지로 중요하다. 따라서 제품 형태나 단면 크기가 달라지면 동일한 명목 강종이라도 허용되는 성질이 다르게 제시될 수 있다.

요구되는 항복 강도에 따른 강종 선택

항복 강도는 일반적인 강종 차트에서 그대로 옮겨 적는 숫자가 아니라, 선택의 입력값으로 취급해야 한다. ASTM A400은 요구되는 최소 항복 강도에 따라 후보 강봉을 구성하는 동시에, 해당 후보와 관련된 화학 조성 및 제조 경로도 함께 제시한다. 이는 값이 어떻게 얻어졌는지 설명하지 않은 채 강종을 “저강도”에서 “고강도”로 순위화하는 것보다 더 많은 정보를 제공한다.

요구되는 최소 항복 강도는 우선 성능 임계값을 설정한다. 그러나 그것만으로 강종이 결정되는 것은 아니다. 여러 강종이 해당 임계값을 충족할 수 있지만, 탄소, 망가니즈, 크로뮴, 니켈, 몰리브데넘 또는 기타 합금 원소의 함량은 서로 다를 수 있다. 이러한 차이는 경화능, 용접성, 열처리 반응, 단면 크기별 달성 가능 성능 및 경우에 따라 인성에 영향을 준다. ASM International의 Metals Handbook은 탄소강 및 합금강의 성질이 화학 조성, 제조 공정 및 미세조직의 복합적인 영향으로 결정된다고 설명한다. 화학 조성은 성질의 원인이지만, 성질에 대한 요구사항을 대신하는 것은 아니다.

이러한 구별은 구조용 강재 참고자료에서도 확인된다. Eurocode 3의 설계표는 EN 1993-1-1 제3.2.6절에 따라 S235, S275, S355, S420, S450 및 S460을 설계용 재료 성질과 함께 제시한다. 이러한 설계값은 해당 설계 체계에 속하므로, 어떤 차트에서 유사한 항복 강도 수치를 제시한다는 이유만으로 ASTM 강봉 강종에 자동으로 적용해서는 안 된다. “S355”는 특정 제품 및 표준 맥락을 지닌 EN 지정이다. 이는 그 주변에 나열된 모든 강재와 동등한 보편적 화학적 또는 기계적 정체성이 아니다.

선택표는 항복 강도와 다른 요구사항 사이의 상충 관계를 보여 줄 수 있다. 합금화 또는 열처리를 통해 강도를 높이면 연신율, 기계가공성, 용접 절차 요구사항 또는 저온 성능이 달라질 수 있다. 소형 조질 강봉에서 최소 항복 강도 690 MPa 목표를 충족하는 강종이라도 훨씬 큰 단면에서는 동일한 값을 제공하지 못할 수 있으며, 동일한 명목 지정의 노멀라이징 제품과 상호 대체할 수도 없다.

보고된 항복값에는 시험 근거도 필요하다. 표준에 따라 규정된 최소 항복 강도는 항복점으로 결정할 수도 있고, 규정된 오프셋법으로 결정할 수도 있다. 표점 거리, 시험편의 방향 및 시료 채취 위치는 보고 결과에 영향을 줄 수 있다. 이러한 세부사항 없이 “항복 강도”만 제시하는 표는 수치 자체를 정확히 옮겼더라도 불완전하다.

제조 상태와 단면 크기

제조 공정은 화학 조성과 기계적 성질을 연결하는 다리다. 동일한 용강의 화학 조성이라도 열간 압연, 노멀라이징, 풀림, 담금질 및 뜨임, 냉간 마무리, 응력 제거에 따라 서로 다른 미세조직이 형성된다. 냉각 속도도 중요하다. 소형 강봉은 대형 강봉보다 열을 더 빠르게 잃으므로 냉각 중에 다른 변태 조직이 형성될 수 있다. 대형 단면의 중심부는 표면보다 더 느리게 냉각되어 더 연한 상태로 남거나, 다른 열처리 일정이 필요할 정도가 될 수 있다.

ASTM A400은 강종 전체에 하나의 강도값을 제시하는 대신 제조 상태와 단면 크기를 선택 조건과 연계함으로써 이러한 점을 실무적으로 반영한다. 강봉 표에서는 열간 압연재와 조질재를 구분하거나, 최소 항복값을 지정하기 전에 직경 범위를 나눌 수 있다. 그 이유는 편집상의 문제가 아니라 야금학적 이유 때문이다. 탄소 및 합금 원소 함량은 경화능에 영향을 주지만, 경화능이 모든 단면의 모든 위치에서 동일한 경도나 강도에 도달한다는 뜻은 아니다.

두께와 직경은 적용되는 최소값 자체를 바꿀 수도 있다. 제품 규격은 대개 크기에 따라 기계적 요구사항을 구분한다. 대형 단면은 전체적으로 균일한 변태가 더 어렵고 중심부에서 더 낮은 성질이 나타날 수 있기 때문이다. 화학 조성표만으로는 이러한 제한을 알 수 없다. 또한 크기 열을 무시하면 기계적 성질표도 올바르게 해석할 수 없다.

실제 합격 요구사항은 제품 규격이 결정한다. ASTM A400은 선택 실무인 반면, ASTM 제품 규격은 특정 제품에 대한 요구사항을 규정한다. ASTM 표준은 탄소강, 구조용강, 스테인리스강, 페라이트계강, 오스테나이트계강 및 합금강에 대해 화학적, 기계적, 야금학적 및 기타 재료 요구사항을 다룬다. AISC 역시 구조용 강재 형강과 강판에 대한 ASTM 규격에는 일반적으로 화학 조성 요구사항과 기계적 성질 요구사항이 모두 포함된다고 설명한다. 따라서 공학적 의사결정에 사용하는 모든 표의 항목에는 정확한 규격, 개정판, 추가 요구사항 및 구매 지정이 함께 제시되어야 한다.

스테인리스강 참고자료에서도 동일한 구분을 확인할 수 있다. SSINA의 표는 ASTM 제품 규격이 적용되는 오스테나이트계 스테인리스 강종에 대해 중량 백분율 조성과 규정된 기계적 성질을 제시한다. Nickel Institute는 화학적, 기계적, 물리적 및 규격 데이터를 서로 별개의 정보 유형으로 제시한다. 이러한 형식이 유용한 이유는 니켈, 크로뮴 또는 탄소의 비율만으로 사용 중 전체 거동을 예측할 수 있다는 인상을 주지 않기 때문이다.

선택 지침을 올바르게 사용하는 방법

선택 지침은 후보를 체계화하고, 두 강종이 상호 대체될 수 없는 이유를 밝히며, 강도가 제조 공정이나 단면 크기에 따라 달라지는 지점을 보여 줄 수 있다. 또한 엔지니어가 요구되는 최소 항복 강도에서 출발하여 가능성 있는 강종의 범위를 좁힌 다음, 화학 조성, 경화능, 연성 및 처리 상태를 비교하는 데 도움을 줄 수 있다. 동시에 이는 잘못된 동등성 판단을 경고하는 자료이기도 하다. Handbook of Comparative World Steel Standards가 비교용 화학 조성표와 비교용 기계적 성질표를 분리하는 이유도 여기에 있다. 지정이 서로 대응한다는 사실만으로 규격이 동등하다는 것이 입증되지는 않는다.

선택 지침은 적용되는 제품 규격을 대신할 수 없다. 지침만으로는 특정 용강을 인증하거나, 밀 시험성적서를 확인하거나, 시험하지 않은 부품의 실제 성질을 확정하거나, 출처에 명시된 크기, 상태, 방향, 온도 및 시험 방법의 범위를 벗어난 성능을 보증할 수 없다. Engineering ToolBox가 제시하는 탄소, 크로뮴, 망가니즈, 몰리브데넘, 니켈, 인, 황 및 규소 목록과 같은 대표 비교표는 개략적인 파악에는 유용하지만, 적용을 지배하는 한계값을 대신하지는 않는다. 핸드북, 공급업체 차트 및 표준 간 강종 대응표에도 동일한 주의가 적용된다.

따라서 올바른 순서는 단순하지만 엄격하다. 제품 형태와 표준을 정의하고, 요구되는 최소 성질을 명시하며, 허용되는 크기와 제조 상태를 확인하고, 화학 조성 및 추가 요구사항을 검토한 다음, 공급된 재료를 적용 규격의 인증서와 시험 결과에 대조하여 검증해야 한다. ASTM A400은 선택 단계에 도움을 준다. 그러나 사용자를 대신하여 규격 작성, 제조 또는 합격 판정 단계를 수행하지는 않는다.

ASTM, EN 및 기타 체계에서 강종을 비교하는 방법

강종명은 출발점일 뿐 재질의 정체성을 의미하지는 않습니다. ASTM, EN, JIS, GB, ISO 및 기타 체계는 서로 다른 제품 규격 내에서 명칭을 부여하며, 해당 규격은 화학 조성, 강도, 인성, 열처리, 치수, 시험 및 허용되는 제조 경로를 규정할 수 있습니다. 따라서 참고표에서 같은 행에 배치되어 있다는 이유만으로 “S355”, “A572 Grade 50”, “AISI 1045”를 상호 대체 가능한 명칭으로 취급해서는 안 됩니다.

Handbook of Comparative World Steel Standards는 이러한 구분을 실무적으로 적용할 수 있도록 제시합니다. 이 자료의 단조 및 주조 합금강 비교표는 화학 조성과 기계적 특성을 분리하여 제시합니다. 이러한 분리는 단순한 편집상의 선택이 아닙니다. 화학 조성은 탄소, 망간, 크롬, 니켈, 인, 황과 같은 원소의 한계값을 설명하는 반면, 기계적 특성표는 규정된 가공 및 시험 조건에서 얻어진 결과를 보고합니다. 이 두 자료는 서로 관련되어 있지만, 어느 하나가 다른 하나를 대신할 수는 없습니다.

두 표기의 화학 조성이 유사하다는 사실만으로 제품 표준, 가공 규정, 인성 요구사항 또는 기계적 최소값이 동일하다고 입증할 수는 없다. Strong evidence

화학적 유사성은 규격상 동등성을 의미하지 않는다

화학 조성표는 두 강종이 유사한 조성 범위에 속한다는 점을 보여줄 수 있습니다. 그러나 그 자체만으로 두 강종이 동일한 제품 규격을 충족하거나 실제 사용에서 유사하게 작동한다는 점을 입증할 수는 없습니다.

탄소강 및 저합금 구조용 강재를 예로 들어 보겠습니다. ASTM A572/A572M Grade 50과 EN 10025-2 S355는 일부 제품 형태와 두께에서 공칭 최소 항복강도가 유사한 범위에 있기 때문에 자주 비교됩니다. 그러나 두 규격 체계는 화학 조성의 한계값, 제품 범주, 인성 표시, 납품 요건, 치수 규정 및 시험 조항에서 여전히 차이가 있습니다. 탄소, 망간, 인, 황만 나열한 표는 이러한 차이를 감춥니다.

스테인리스강에서도 같은 문제가 나타납니다. “304”는 AISI 명칭을 가리킬 수도 있고, 특정 제품 규격에서 Type 304와 같은 ASTM 제품 강종을 가리킬 수도 있으며, X5CrNi18-10과 연관된 1.4301과 같은 유럽 명칭을 가리킬 수도 있습니다. 이러한 참조는 일반적인 사용에서 서로 겹치지만, 적용되는 요구사항은 해당 제품 규격에 따라 달라집니다. SSINA는 ASTM 제품 규격이 적용되는 오스테나이트계 스테인리스강 강종에 대해 중량 백분율 조성표와 규정 기계적 특성을 분리하여 제시합니다. 이러한 형식은 조성 범위를 완전한 납품 요건으로 오인하는 것을 적절히 방지합니다.

ASTM A400, Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties는 단순화된 강종표를 경계해야 하는 유용한 사례입니다. 이 문서는 강종, 조성, 가공 상태, 단면 크기 및 목표 최소 항복강도에 따른 선정 지침을 제시합니다. 이러한 변수들이 함께 제시되지 않으면 봉강 명칭은 동일한 의미를 갖지 않습니다. 냉간 인발, 풀림, 노멀라이징, 담금질 및 뜨임, 또는 열간 압연은 화학 조성이 거의 유사하더라도 강도와 연성을 크게 다르게 만들 수 있습니다.

ASM의 탄소강 및 합금강 관련 설명은 그 금속학적 이유를 제시합니다. 재료 특성은 화학 조성, 가공 및 미세조성의 복합적인 영향으로 결정됩니다. 탄소 함량은 경도와 경화능에 영향을 줄 수 있지만, 항복강도, 충격 인성, 피로 저항성, 연신율 또는 잔류응력을 유일하게 결정하지는 않습니다. 결정립 크기, 냉각 속도, 변태 생성물, 뜨임, 개재물 함량 및 선행 변형도 중요합니다.

화학적 비교는 여전히 유용합니다. 이를 통해 명백한 불일치를 식별하고, 강종이 저탄소강인지 크롬을 함유한 강인지 확인하며, 용접성 또는 내식성에 영향을 미치는 원소를 선별할 수 있습니다. 그러나 화학적 비교는 적용되는 제품 규격과 판본을 각 강종 옆에 표시한 화학 조성표에 제시해야 합니다. Engineering ToolBox가 게재한 것과 같은 대표적 비교표는 적용을 강제하는 규격상의 한계값이 아닙니다.

조건을 일치시킨 기계적 특성 비교

시험 조건과 공급 조건을 일치시킨 후에야 기계적 값을 비교할 수 있습니다. 최소한 제품 형태, 적용 규격과 판본, 납품 상태, 두께 또는 단면 크기, 시험 방향, 시험 온도, 시험 방법 및 요구되는 특성의 종류를 기록해야 합니다.

먼저 제품 형태를 확인해야 합니다. 판재, 열간 압연 봉강, 선재, 관, 단조품 및 구조용 형강은 명칭이 유사하더라도 서로 다른 규격을 적용받을 수 있습니다. 탄소 구조용 강재에 관한 ASTM A36/A36M, 열간 가공 합금강 및 탄소강 봉강에 관한 ASTM A29/A29M, 스테인리스강 봉강에 관한 ASTM A276/A276M은 상호 대체 가능한 문서가 아닙니다. 이들의 기계적 특성표는 서로 다른 제품을 대상으로 하며, 시료 채취 또는 열처리 조건도 서로 다르게 규정할 수 있습니다.

두께와 단면 크기에 따라 요구되는 최소값이 달라질 수 있습니다. EN 구조용 강재 표에서 S235, S275, S355, S420, S450 및 S460과 같은 강종의 항복강도 요구사항은 해당 제품 규격 및 설계 조항에 따른 두께 범위와 연계됩니다. 이후 Eurocode 3, EN 1993-1-1, 제3.2.6절은 구조용 강재의 설계 재료 특성을 제시합니다. 이러한 설계값은 일반적인 강종표에서 인장시험 결과를 단순히 옮겨 적은 것이 아닙니다. 실온에서 종방향으로 시험한 판재는 두꺼운 단면을 횡방향으로 시험한 값이나 고온 설계를 위해 조정된 값과 자동으로 비교할 수 없습니다.

납품 상태도 명시해야 합니다. “노멀라이징 상태”, “열기계 압연 상태”, “담금질 및 뜨임 상태”, “풀림 상태” 및 “압연 상태”는 서로 다른 금속학적 상태를 나타냅니다. ASTM 및 EN 규격은 동일한 광범위한 강종 계열에 대해 별도의 접미사, 등급 또는 상태 요건을 부여할 수 있습니다. 담금질 및 뜨임 봉강에 대해 제시된 최소 인장강도를, 두 제품이 공칭 합금 명칭을 공유한다는 이유만으로 풀림 봉강의 대표값으로 사용할 수는 없습니다.

시험 방법은 보고되는 수치에 영향을 줍니다. 항복강도는 명확한 항복점 또는 0.2% 소성 변형률에서의 내력을 의미할 수 있습니다. 연신율은 표점 거리와 시험편 형상에 따라 달라집니다. Charpy 충격 에너지는 노치 방향, 시험 온도, 시험편 크기 및 보고 규정에 따라 달라집니다. 경도 환산도 조건부입니다. 적용되는 환산 규격을 고려하지 않고 환산한 Rockwell, Brinell 또는 Vickers 값은 직접 시험한 값과 동등하지 않습니다.

따라서 신뢰할 수 있는 비교 절차는 다음과 같이 순차적으로 진행됩니다.

1. 제품 형태와 정확한 제품 규격을 확인합니다. 2. 적용 규격, 판본, 강종, 등급, 유형 및 추가 요구사항을 기록합니다. 3. 일반적인 명칭표가 아니라 해당 문서에서 화학 조성의 한계값을 추출합니다. 4. 납품 상태, 열처리, 두께, 직경, 벽 두께 또는 단면 크기를 기록합니다. 5. 시험 방향, 시험편 형상, 시험 온도 및 시험 방법을 일치시킵니다. 6. 동일한 기계적 요구사항끼리 비교합니다. 즉 항복강도는 항복강도끼리, 인장강도는 인장강도끼리, 충격 에너지는 충격 에너지끼리 비교합니다. 7. 용접성, 인성, 내식성, 피로 및 치수 요구사항을 별도로 확인합니다. 8. 의도한 설계 규정이 제안된 재료를 인정하는지 확인합니다.

Nickel Institute의 표는 화학적, 기계적, 물리적 및 규격 데이터를 분리하여 제시함으로써 이러한 체계적인 구성을 보여 줍니다. 철강 참조 자료에도 유사한 구조를 사용해야 합니다. 즉 화학 조성은 하나의 표에, 기계적 요구사항은 다른 표에 제시하고, 두 표 옆에 적격성 관련 주석을 배치해야 합니다.

상호 참조표의 한계

상호 참조표는 선별 도구입니다. 후보 강종을 찾고, 합금 함량이 유사한 계열을 식별하며, 추가 검토가 필요한 규격을 찾는 데 유용합니다. 그러나 일대일 대체를 승인하는 자료는 아닙니다.

상호 참조표는 여러 판본을 하나의 행으로 압축하거나, 제품 형태를 생략하거나, 최대 한계값이 아닌 대표적인 조성을 인용하거나, 다른 두께 범위에서 얻은 기계적 값을 표시할 수 있습니다. 또한 국가별 명칭과 제품 규격을 혼동할 수도 있습니다. 예를 들어 “AISI 1045”는 널리 알려진 탄소강 조성을 식별하지만, 그 자체로 특정 봉강, 판재, 단조품, 열처리 상태 또는 설계 적용 분야에 대한 요구사항을 규정하지는 않습니다.

상호 참조에서 도출할 수 있는 올바른 결론은 조건부입니다. 즉, 기재된 강종이 명시된 규격과 상태에 따라 기술 검토를 진행할 후보일 수 있다는 뜻입니다. 대체하려면 재료 규격, 검사 증명서, 설계 규정, 제작 절차 및 사용 조건에 따라 검증해야 합니다. 유사한 화학 조성은 근접성을 보여 주는 증거일 뿐 동등성을 입증하지는 않습니다. 공유된 숫자나 익숙한 명칭 어느 것도 이러한 검증을 대신할 수 없습니다.

시험, 샘플링 및 보고된 값의 의미

강재 표는 어떤 특성을 고립된 상태로 보고하지 않는다. 표에 제시되는 값은 선정된 시료에 대해 명시된 조건에서 수행한 특정 화학 분석 또는 기계적 시험의 결과이며, 합격 판정 기준에 따라 평가된 것이다. 이 요소들 중 어느 하나라도 제거하면 그 수치의 의미가 달라질 수 있다.

따라서 강종 지정만으로는 재료의 완전한 식별이 될 수 없다. ASTM A400, 강봉의 표준 관행: 선정 지침, 화학 조성 및 기계적 성질은 강봉 정보를 강종, 화학 조성, 가공 상태, 단면 크기 및 요구되는 최소 항복강도에 따라 체계화한다. 이 구조는 한계를 분명히 보여 준다. 제품 형태, 크기, 열처리 또는 적용되는 규격이 달라지면 동일한 명목 강종도 다르게 해석해야 할 수 있다.

용강 분석과 제품 분석

용강 분석 또는 레이들 분석은 특정 용해로 대표되는 용강의 화학 조성을 나타낸다. 일반적으로 제조자는 강이 잉곳 또는 연속 주조 제품으로 주조되기 전에 제강 과정에서 시료를 채취한다. 보고된 값은 해당 용해 전체를 대표하도록 의도된 것이다. 따라서 이는 완성된 판, 봉, 단조품 또는 관을 직접 측정한 값과 반드시 일치하지는 않는다.

제품 분석은 제조된 제품에서 채취한 재료에 대해 수행한다. 그러므로 제품 분석에는 시료 채취 위치, 응고 중 편석, 표면 상태, 기계가공 및 국부적인 화학적 편차가 반영될 수 있다. 제품 분석의 한계값이 레이들 분석의 한계값과 다를 수 있는 이유는 두 분석이 서로 다른 질문에 답하기 때문이다. 즉, 용광로에서 어떤 조성의 강이 제조되었는가와, 시료를 채취한 위치에서 공급된 제품에 어떤 조성이 존재하는가는 서로 다른 문제이다.

이러한 구분은 엄격한 한계가 적용되는 원소에서 특히 중요하다. 탄소, 황, 인, 질소 및 크롬, 니켈, 몰리브덴, 바나듐과 같은 합금 원소는 소수점 이하 여러 자리까지 보고될 수 있지만, 표시된 정밀도가 그에 상응하는 정확도를 보장하는 것은 아니다. 황 함량 0.018%라는 결과와 0.020%라는 한계값은 여전히 적용 규격에서 정한 분석 방법, 교정, 시료 준비 및 반올림 규칙에 좌우된다.

조성표는 304 스테인리스강에 대해 대략적인 크롬 또는 니켈 함량과 같은 단일 대표값을 제시할 수 있다. 반면 SSINA는 ASTM 제품 규격이 적용되는 오스테나이트계 스테인리스강종에 대해 질량 백분율 조성 범위와 규정된 기계적 성질을 제시한다. 후자는 규격 요구사항이고, 전자는 유용한 비교 자료일 수 있다. 두 자료를 서로 바꾸어 사용할 수 있는 것으로 취급해서는 안 된다.

UNS, EN, JIS 및 ASTM 지정법을 인접한 열에 배치한 비교표에도 같은 주의가 적용된다. 세계 철강 규격 비교 편람은 화학 조성 비교표와 기계적 성질 비교표를 분리한다. 화학적 유사성만으로 동일한 가공 요구사항, 제품 형태, 시험 방법 또는 합격 판정 기준이 성립하지 않기 때문이다. “동등”이라는 표현은 흔히 제한된 비교를 간략히 나타내는 말일 뿐, 모든 규격에서 한 재료를 다른 재료로 대체할 수 있다는 증거가 아니다.

최대값은 상한이다. 최소값은 하한이다. 범위에는 상한과 하한이 모두 있다. 명목 조성 또는 대표 조성은 일반적으로 예상되는 제조 관행을 설명할 수 있지만, 허용 가능한 합격 판정 구간을 정의하는 것은 아닐 수 있다. 표에서는 이러한 범주를 서로 구분해야 한다.

인장 및 경도 시험 조건

기계적 성질은 조성값보다 시험 정의에 더욱 크게 좌우된다. 인장강도, 항복강도, 연신율, 단면 수축률 및 경도는 특정 절차에 따라 특정 시험편이 나타내는 거동을 설명한다. 이는 동일한 강종 지정을 가진 모든 재료가 공통으로 갖는 고정 상수를 의미하지 않는다.

우선 시료 채취 위치가 중요하다. 시험편은 표면 아래 규정된 깊이에서, 봉의 중심부에서, 판 두께를 가로지르는 위치에서 또는 제품의 지정된 끝단에서 채취될 수 있다. 냉각 속도, 편석, 탈탄 및 이후의 열처리가 단면 전체에서 달라질 수 있으므로 표면 시료는 중심 시료와 다른 성질을 나타낼 수 있다. 압연 제품의 경우에는 시험 위치에 따라 해당 시험편이 판이나 봉의 선단, 중앙부 또는 후단을 대표하는지가 달라질 수도 있다.

방향에 따라서도 결과가 달라진다. 종방향 시험편은 주된 압연 또는 인발 방향과 평행하게 배치되고, 횡방향 시험편은 그 방향을 가로질러 채취한다. 압연은 결정립과 개재물을 길게 늘이며, 단조와 인발은 다른 방식으로 미세조직을 변화시킨다. 따라서 종방향 연신율, 횡방향 항복강도 및 두께 방향 연성은 하나의 보편적 특성을 달리 부르는 명칭이 아니다.

표점거리도 중요하다. 짧은 표점거리에서 측정한 연신율은 두 값이 모두 백분율로 보고되더라도 긴 표점거리에서 측정한 연신율과 직접 비교할 수 없다. 파단 중 네킹은 국부적으로 발생하므로 전체 연신량 중 표점거리에 귀속되는 비율은 시험편 형상에 따라 달라진다. 시험편 치수와 시험 규격을 함께 제시하지 않고 연신율 값만 표에 옮기면 필수 정보가 누락된다.

시험 온도 역시 또 하나의 경계 조건이다. 상온 시험과 영하 또는 고온 시험 사이에서는 강도와 연성이 상당히 달라질 수 있다. 하중 속도, 신장계 방법, 항복점 정의 및 계산 관행도 보고된 결과에 영향을 줄 수 있다. 적용 규격에 따라 “항복강도”는 항복점 또는 특정 오프셋에서의 내력(proof stress)을 의미할 수 있다.

경도값에도 동일한 엄격성이 요구된다. 브리넬, 로크웰 및 비커스 경도값은 서로 다른 압입자, 하중, 유지 시간 조건 및 환산 관행을 사용한다. 로크웰 B 값과 로크웰 C 값을 아무런 설명 없이 비교해서는 안 되며, 경도 환산표를 사용했다고 해서 환산된 값이 직접 측정값으로 바뀌는 것도 아니다. 표면 거칠기, 곡률, 스케일, 시험편 두께 및 국부 미세조직은 압입 결과에 영향을 줄 수 있다.

미국철강건설협회가 설명하듯이, 구조용 강재 형상재와 판재에 관한 ASTM 규격은 일반적으로 화학 조성과 기계적 성질에 대한 요구사항을 모두 포함한다. 이 두 요구사항군은 서로 연계되어 작용한다. 화학 조성은 조성 한계를 확인하고, 시험은 규정된 가공을 거친 공급 제품이 요구되는 성능을 충족하는지 검증한다.

합격 판정값, 평균 및 산포

규정 최소값은 합격으로 판정되는 결과가 충족하거나 초과해야 하는 기준값이다. 규정 최대값은 초과해서는 안 되는 상한이다. 규정 범위는 두 조건을 모두 부과한다. 어느 것도 평균을 의미하지 않는다.

개별 시험 결과는 하나의 시험편 또는 하나의 시험 위치에 귀속된다. 평균은 여러 결과를 결합한 값이지만, 평균 산출 규칙은 제품 규격에 의해 제한될 수 있다. 일부 규격은 각 개별 결과를 기준으로 판정하고, 다른 규격은 정해진 상황에서 재시험, 평균 산출 또는 무효 시험편의 대체를 허용한다. 따라서 어떤 재료는 평균 인장강도가 표에 제시된 최소값을 초과하면서도, 개별 결과에 대한 요구사항에서는 하나의 결과가 불합격일 수 있다.

산포가 자동으로 재료 품질 불량의 증거가 되는 것은 아니다. 산포는 정상적인 미세조직 편차, 시험편 배치, 시험기의 반복성, 작업자 기법 및 측정 불확도에서 발생할 수 있다. 시험 방법과 기기의 분해능이 유한한 경우, 보고된 500 MPa라는 결과를 정확한 물리적 경계로 해석해서는 안 된다. 불확도는 합격 한계값을 없애는 것이 아니지만, 한계값에 가까운 결과에는 임의의 반올림이 아니라 규격에서 정한 판정 규칙이 필요한 이유를 설명해 준다.

이러한 구분은 설계표에서도 확인된다. Eurocode 3은 EN 1993-1-1 제3.2.6절에 따라 S235, S275, S355, S420, S450 및 S460에 대한 설계용 재료 성질을 제시한다. 이는 해당 규정 체계 안에서 구조 설계를 위해 정해진 값이지, S 지정이 붙은 모든 제품의 보편적인 인장시험 결과가 아니다. ASTM A400 역시 최소 항복강도를 봉의 크기 및 가공 상태와 연계한다.

따라서 표의 값은 그 시험 방법 및 합격 판정 기준과 분리될 수 없다. 두 항목을 비교하기 전에 각각이 용강 분석인지 제품 분석인지, 대표값인지 규격 한계값인지, 평균값인지 개별 결과인지, 그리고 동일한 온도, 방향, 표점거리, 시료 채취 위치 및 제품 상태에서 수행된 인장 또는 경도 측정값인지를 확인해야 한다. 이러한 정보가 없으면 수치의 정밀도가 비교 가능성에 대한 잘못된 인상을 줄 수 있다.

철강 물성표에서 흔히 발생하는 오류

철강 표는 권위 있어 보이지만, 실제로는 서로 다른 표준, 제품 형태 또는 시험 조건에 해당하는 값을 조용히 뒤섞고 있을 수 있습니다. 첫 번째 질문은 “등급이 무엇인가?”가 아니라 “이 수치는 어떤 문서와 상태를 나타내는가?”여야 합니다. 화학 조성표는 일반적으로 질량 백분율로 원소의 한계값 또는 범위를 제시합니다. 기계적 성질표는 항복강도, 인장강도, 연신율, 경도, 충격 에너지 또는 피로강도와 같은 요구값이나 측정 결과를 보고합니다. 이 두 종류의 표는 서로 관련되어 있지만, 서로 대체할 수는 없습니다.

ASTM A400, 강봉의 선정, 조성 및 기계적 성질에 관한 표준 실무 지침은 이 점을 직접적으로 설명합니다. 강봉을 선정할 때에는 등급, 화학 조성, 가공 상태, 단면 크기 및 요구되는 최소 항복강도를 고려해야 합니다. 이러한 한정 조건이 없는 등급 표기는 불완전합니다.

공칭값, 대표값, 최소값 및 최대값을 혼용하는 경우

가장 흔한 오류는 값의 성격을 표시하지 않은 채 서로 다른 종류의 값을 인접한 열에 배치하는 것입니다. “공칭값”, “대표값”, “최소값” 및 “최대값”은 동일한 종류의 정보를 나타내지 않습니다.

공칭 조성은 목표값 또는 명칭상의 값입니다. 표에는 중탄소강의 탄소 함량을 약 0.40%로 표시할 수 있지만, 적용되는 제품 규격은 0.37–0.44% C와 같은 범위를 허용할 수 있으며, 망가니즈, 인, 황, 규소 또는 잔류 원소에 대해서는 별도의 한계값을 설정할 수 있습니다. 최대값은 적합성의 경계값이지, 예상되는 분석값이 아닙니다. 최소 인장강도 역시 경계값일 뿐, 모든 제품이 나타내는 강도를 의미하지 않습니다.

대표값은 그 성격이 숨겨져 있을 때 특히 위험합니다. 제조업체, 핸드북 또는 시험실은 정규화된 재료의 대표 항복강도를 보고할 수 있지만, 표준은 특정 두께와 납품 상태에 대해 최소값만 요구할 수 있습니다. 대표 시험 결과는 비교에 유용할 수 있지만, 합격 판정 요구사항을 대신할 수는 없습니다. 어떤 표가 한 등급에 대해 “항복강도: 355 MPa”라고 표시하면서 355 MPa가 최소값인지, 공칭 설계값인지 또는 대표 시험 결과인지 밝히지 않는다면 잘못된 결론을 유도할 수 있습니다.

단위는 동일한 문제를 다른 형태로 발생시킵니다. “강도 ksi”라고만 쓰고 그 값이 항복강도인지 인장강도인지 표시하지 않은 것은 결함이 있는 표기입니다. “경도 220” 역시 불완전합니다. 220 HBW, 220 HV 및 220 HRC는 의미가 매우 다르기 때문입니다. 연신율에는 게이지 길이를 명시해야 하며, 일반적으로 5.65√A 또는 인치 단위로 지정된 게이지 길이를 사용합니다. 샤르피 충격 에너지에는 시험 온도, 시험편 방향, 시험편 크기, 그리고 경우에 따라 시험편의 개수도 필요합니다. 반올림은 적합성의 경계도 가릴 수 있습니다. 보고된 탄소 함량 0.20%는 0.195%, 0.204% 또는 허용 범위가 넓은 값을 나타낼 수 있으므로, 반올림된 비교를 규격 한계값으로 간주해서는 안 됩니다.

표에는 각 항목이 요구되는 최소값인지, 허용되는 최대값인지, 조성 범위인지, 공칭 목표값인지 또는 대표 측정값인지를 명시해야 합니다. 이를 명시하지 않았다면, 독자는 해당 수치가 합격 판정에 부적합하다고 가정해야 합니다.

제품 표준 간에 값을 복사하는 경우

어떤 명칭이 여러 표준에 반복해서 등장한다고 해서 동일한 요구사항을 갖는 것은 아닙니다. ASTM A36 강판, 강봉 및 구조용 형강은 그 명칭이 익숙하다는 이유만으로 하나의 공통 표에 의해 자동으로 규정되지 않습니다. 제품 규격은 서로 다른 화학 조성 한계, 두께 관련 규정, 시험 조항, 공급 상태 및 기계적 요구사항을 정할 수 있습니다.

AISC는 구조용 강재 형강 및 강판에 대한 ASTM 규격에는 일반적으로 화학 조성 요구사항과 기계적 성질 요구사항이 모두 포함된다고 설명합니다. 이러한 요구사항은 해당 ASTM 제품 규격에 속합니다. 한 문서에서 화학 조성 행을 복사하고 다른 문서에서 강도 행을 복사하면, 실제로는 어떤 표준도 정의하지 않는 재료를 만들어 낼 수 있습니다.

두께는 자주 누락되는 항목입니다. 판 또는 형강의 두께에 따라 냉각 속도, 편석 및 두께 방향의 미세조직이 달라지므로 항복강도와 인장강도 요구사항이 변할 수 있습니다. 따라서 하나의 항복강도 값만 표시한 S355 표는 적용 표준과 두께 범위를 명시하지 않는 한 불완전합니다. Eurocode 3은 EN 1993-1-1 제3.2.6절에서 S235, S275, S355, S420, S450 및 S460에 대한 설계용 재료 특성을 제시하지만, 이는 설계 표준상의 값이지 모든 값을 ASTM, JIS 또는 밀 시험성적서 표에 그대로 복사해도 된다는 의미는 아닙니다.

스테인리스강에도 동일한 주의가 적용됩니다. SSINA는 ASTM 제품 규격이 적용되는 오스테나이트계 등급에 대해 중량 백분율 조성과 규정된 기계적 성질을 제시합니다. 화학 조성과 강도 값은 관련 제품 형태 및 ASTM 문서와 연계된 상태로 유지되어야 합니다. 판재의 조성 행이 강봉, 단조품, 선재 또는 주물에 자동으로 적용될 수는 없습니다.

표준 간 비교에는 더욱 엄격한 관리가 필요합니다. 세계 철강 표준 비교 핸드북은 국제 명칭 체계 간 화학 조성과 기계적 성질의 비교표를 별도로 구분합니다. 이러한 구분은 중요합니다. 유사한 명칭은 서로 관련된 화학 조성을 나타낼 수 있지만, 가공 방법, 인성, 용접성, 치수 범위 또는 인증 요구사항이 동일하다는 것을 입증하지는 않습니다. Engineering ToolBox 형식의 대표 비교 자료는 어떤 등급이 다른 등급보다 크로뮴 또는 니켈을 더 많이 포함하는지 보여 주는 데 도움이 될 수 있지만, 이를 통해 적용되는 한계값을 확정할 수는 없습니다.

복사한 값을 받아들이기 전에 표준 번호, 판본, 제품 형태, 납품 상태, 두께 또는 직경 범위, 시험 방향, 시험 온도 및 단위 체계를 기록해야 합니다. 이 중 하나라도 누락되었다면 해당 수치는 확인된 요구사항이 아니라 추가 검토를 위한 단서에 불과합니다.

등급명을 완전한 재료 규격으로 취급하는 경우

“304”, “A36”, “S355” 및 “4140”은 강재의 특정 제품을 완전히 설명하는 명칭이 아니라 등급 표기입니다. 그 의미는 해당 등급을 정의하는 문서와 공급되는 제품에 따라 달라집니다. 하나의 명칭 안에서도 풀림, 정규화, 담금질 및 뜨임, 냉간가공 및 압연 상태에 따라 서로 다른 성질이 나타날 수 있습니다.

ASM International은 탄소강 및 합금강의 성질이 화학 조성, 가공 및 미세조직의 복합적인 영향으로 결정된다고 설명합니다. 화학 조성만으로 하나의 항복강도, 경도, 충격값 또는 연신율을 예측할 수는 없습니다. 탄소와 크로뮴 함량이 유사한 두 용강도 결정립 크기, 뜨임 온도, 압下비, 개재물 또는 냉각 이력에 따라 서로 다른 성질을 보일 수 있습니다.

“4140: 0.40% C, 1.0% Cr, 1.0% Mn, 0.25% Mo”라고 표시한 표는 대략적인 조성을 나타내는 데 유용할 수 있지만, 해당 재료가 풀림 상태인지 담금질 및 뜨임 상태인지, 또는 강봉, 강판, 튜브 및 완성 부품 중 무엇인지 알려 주지 않습니다. 마찬가지로 “304 스테인리스강”이라는 표기는 해당 항목이 ASTM A240 강판, ASTM A276 강봉 또는 다른 제품 규격을 가리키는지 밝히지 않습니다. 적용 문서는 서로 다른 기계적 시험 또는 추가 요구사항을 부과할 수 있습니다.

개정되지 않은 오래된 판본도 또 다른 함정을 만듭니다. 표준은 화학 조성 한계, 시험 방법, 명명법, 두께 구분 및 참조 문서를 개정합니다. 보기 좋게 정리된 표가 이전 판본을 그대로 유지하면서 그 값을 현재 값인 것처럼 제시할 수 있습니다. 모든 표에는 표준 명칭, 판본 또는 개정 번호 및 확인 날짜를 표시해야 합니다. 또한 각 값이 규격 요구사항인지, 설계값인지 또는 핸드북에 수록된 대표 물성인지도 밝혀야 합니다.

Nickel Institute은 표 형식 자료에서 화학적, 기계적, 물리적 데이터와 규격 데이터를 구분합니다. 이러한 구분은 유용한 모범 사례입니다. 신뢰할 수 있는 철강 표는 이러한 범주를 서로 분리하고, 모든 단위와 시험 조건을 명시하며, 반올림된 값이나 대표값을 표시하고, 각 요구사항을 적용 표준에 연결해야 합니다. 이러한 맥락이 없다면 형식상의 정밀함은 오류를 발견하기 어렵게 만들 뿐입니다.

신뢰할 수 있는 강재 표를 위한 참조 위키 템플릿

신뢰할 수 있는 강재 표는 어떤 값에 권위를 부여하는 문서를 식별해야 합니다. 강종 지정만으로는 충분하지 않습니다. “S355”, “304”, “AISI 4140” 또는 “ASTM A36”은 서로 관련된 재료군을 가리킬 수 있지만, 특정 표에서 해당 지정이 의미하는 바는 적용 제품 표준, 제품 형태, 납품 상태, 치수 및 시험 요구사항에 의해 결정됩니다.

ASTM A400, 강봉의 표준 실무: 선정 지침, 화학 조성 및 기계적 성질은 이 문제를 명확히 보여 줍니다. 이 표준에 수록된 지침은 강종, 화학 조성, 가공 상태, 단면 크기 및 요구되는 최소 항복강도를 고려합니다. 봉재 표를 판재 표에 그대로 복사하는 것은 단순히 불완전한 데 그치지 않고, 잘못된 제품에 잘못된 요구사항을 부여할 수 있습니다. AISC 역시 구조용 강재 형강 및 판재에 관한 ASTM 규격에는 일반적으로 화학 조성 요구사항과 기계적 성질 요구사항이 모두 포함된다고 설명합니다. 이 두 요구사항군을 구분 없이 하나의 “강재 물성” 표로 통합해서는 안 됩니다.

조성 표에 필요한 필드

모든 조성 표는 적용 문서에 기재된 정확한 강종 지정으로 시작하고, 이어서 제품 형태를 명시해야 합니다. 예로는 “ASTM A240 Type 304 plate”, “ASTM A276 Type 316 bar”, “EN 10025-2 S355JR plate” 또는 “SAE J403 4140”이 있습니다. “304 stainless steel”만으로는 검색용 표기일 뿐, 완전한 규격이 아닙니다.

적용 표준은 별도의 필드에 표시해야 합니다. 요구사항에 영향을 미치는 경우 판 또는 개정판을 포함하고, 인용 문서가 재료 규격인지, 지정 표준인지, 비교 핸드북인지, 정보 제공용 데이터시트인지 명시해야 합니다. ASTM A400은 강봉에 관한 지침이므로, 열거된 강종으로 제조되는 모든 제품을 규정하는 것처럼 제시해서는 안 됩니다. 유럽 구조용 강재의 경우 EN 10025-2와 관련 설계 표준은 서로 다른 역할을 합니다. 비교용 강종 지정 목록은 지배적 규격이 아닌 비교 자료임을 표시해야 합니다.

보고된 모든 원소를 단위와 함께 열거해야 합니다. 질량 백분율은 추론에 맡기지 말고 wt.% 또는 질량분율로 표기해야 합니다. 유용한 표 머리글은 다음과 같을 수 있습니다. “C, wt.% maximum”, “Mn, wt.%”, “P, wt.% maximum”, “S, wt.% maximum”, “Cr, wt.%”, “Ni, wt.%”, “Mo, wt.%” 및 “N, wt.% maximum”. 최대값, 최소값, 범위, 잔류 원소 및 잔량을 구분해야 합니다. “Fe—balance”는 기재되지 않은 모든 원소가 제한 없이 허용된다는 의미가 아닙니다.

표에는 화학 조성 요구사항이 적용되는 제품 상태와 크기 또는 두께 범위를 명시해야 합니다. 일부 표준은 제품 전반에 동일한 용강 분석을 적용하지만, 다른 표준은 용강 분석과 제품 분석을 구분합니다. 편집 주석에는 어느 분석이 제시되었는지 밝혀야 합니다. 표준에서 특정 원소를 첨가 원소로만 허용하거나 잔류 원소로 보고하는 경우, 그 상태를 해당 값 옆에 표시해야 합니다.

대표 비교값을 규격 한계값으로 바꾸어서는 안 됩니다. 예를 들어 Engineering ToolBox는 탄소, 크롬, 망간, 몰리브덴, 니켈, 인, 황 및 규소의 대표적인 질량 백분율 값을 사용하여 강종을 비교합니다. 이러한 표는 대략적인 조성 관계를 보여 줄 수는 있지만, ASTM, EN, JIS, SAE 또는 기타 제품 표준의 적용 한계값을 대체할 수 없습니다. 세계 강재 표준 비교 핸드북 역시 지정 체계 전반에서 비교용 화학 조성 표와 기계적 성질 표를 구분합니다. 이러한 구분은 유지해야 합니다.

따라서 조성 표의 레코드에는 다음 필드가 필요합니다. 강종 지정, 제품 형태, 적용 표준, 판 또는 개정판, 용강 분석 또는 제품 분석, 화학 원소, 값, 단위, 한계 유형, 상태, 크기 또는 두께 범위, 허용 첨가 원소 또는 잔류 원소 상태 및 출처 링크입니다. 값이 편집상의 비교값인 경우에는 “specified”가 아니라 “representative”로 표시해야 합니다.

기계적 성질 표에 필요한 필드

기계적 성질에는 화학 조성보다 더 많은 맥락이 필요합니다. 표에는 각 수치가 규정값인지, 즉 표준의 요구사항인지, 또는 일반값인지, 즉 관찰되었거나 발표된 대표값인지를 명시해야 합니다. 규정된 최소 항복강도는 일반적인 항복강도와 서로 바꾸어 사용할 수 없으며, 어느 것도 자동으로 설계저항으로 간주할 수 없습니다.

성질을 정확히 정의해야 합니다. “강도”는 지나치게 모호합니다. 항복강도, 0.2% 내력, 인장강도, 연신율, 단면수축률, 경도, 충격에너지, 피로강도 또는 파괴인성을 사용하고, 필요한 경우 $R_e$, $R_{p0.2}$, $R_m$ 또는 $A$와 같은 관련 기호를 함께 표시해야 합니다. 연신율이 50 mm, 80 mm 또는 다른 표점거리에서 측정되었는지 명시해야 합니다. 경도 스케일인 HBW, HRC, HV도 명시하고, 서로 다른 스케일을 출처 없이 하나의 순위표에 통합해서는 안 됩니다.

제품 형태와 적용 표준은 여전히 필수 항목입니다. ASTM A36 판재용 표를 ASTM A36 봉재에 묵시적으로 적용해서는 안 되며, EN 10025-2 S355JR의 값이 자동으로 S355J2의 값이 되는 것도 아닙니다. 압연 상태, 노멀라이징 상태, 노멀라이징 압연 상태, 담금질 및 뜨임 상태, 소둔 상태, 용체화 소둔 상태 또는 냉간가공 상태와 같은 납품 상태를 포함해야 합니다. 명목상 강종이 동일하더라도 열처리는 강도와 연성을 변화시킬 수 있습니다.

요구사항과 연계된 크기 또는 두께 구간을 기록해야 합니다. 구조용 강재의 항복강도는 일반적으로 두께에 따라 달라지므로, S235, S275, S355, S420, S450 또는 S460 옆에 단일 값만 제시하면 오해를 일으킬 수 있습니다. Eurocode 3의 재료 물성 표는 EN 1993-1-1 제3.2.6절에 따른 설계 물성을 제시합니다. 이러한 값은 설계 체계에 속하는 것이며, 모든 밀 시험성적서에 적용되는 보편적인 값이 아닙니다.

시험 방향은 종방향, 횡방향, 단거리 횡방향, 두께 방향 또는 미지정 중 하나로 명확히 해야 합니다. 인장시험의 ASTM E8/E8M, 샤르피 충격시험의 ASTM E23, 로크웰 경도시험의 ASTM E18 또는 해당 EN 시험방법과 같이 시험방법과 판도 추가해야 합니다. 출처에서 규정하는 경우 시험편 방향, 시험 온도 및 채취 위치도 포함해야 합니다. −20 °C에서의 샤르피 값은 조건이 명시되지 않은 실온 충격값과 비교할 수 없습니다.

기계적 데이터를 물리적 성질과 구분해야 합니다. Nickel Institute는 화학 조성, 기계적 성질, 물리적 성질 및 규격을 서로 다른 데이터 분류로 구성합니다. 이러한 배열은 밀도, 탄성계수, 열팽창, 전기 비저항 및 열전도도가 강도 요구사항으로 오인되는 것을 방지합니다. 설계값은 별도의 네 번째 표로 구성하는 것이 바람직합니다. 설계값은 적용 설계 표준, 안전 형식, 노출 조건, 좌굴 규칙 및 경우에 따라 온도에 따라 달라집니다.

기계적 성질 레코드에는 다음 항목이 포함되어야 합니다. 강종, 제품 형태, 표준 및 판, 상태, 크기 또는 두께, 성질의 정의, 값과 단위, 규정값 또는 일반값 여부, 시험 방향, 시험 온도, 시험방법 및 판, 시험편 세부사항 및 출처 링크입니다. 값이 변환, 평균화, 반올림되었거나 2차 출처에서 취합된 경우에는 명시적인 주의사항을 추가해야 합니다.

인용, 개정 및 추적성 관리

각 행 또는 긴밀하게 묶인 블록은 단순히 홈페이지를 인용하는 것이 아니라 출처에 연결되어야 합니다. 문서 제목, 조항 또는 표 번호, 판, 열람일 및 페이지 또는 절 위치를 기록해야 합니다. 위키 편집자는 “S355, 355 MPa”라는 값을 해당 값이 산출된 정확한 두께 구간과 조항까지 추적할 수 있어야 합니다.

개정 이력은 공개적으로 유지해야 합니다. ASTM, EN, JIS, SAE 또는 어떤 기관의 핸드북이 변경되더라도, 설명 없이 기존 값을 덮어쓰지 말고 해당 판과 함께 이전 값을 보존해야 합니다. 출처가 현행인지, 폐기되었는지, 정보 제공용인지 또는 2차 재현 자료인지 표시해야 합니다. 예를 들어 SSINA의 오스테나이트계 스테인리스강 표는 ASTM 제품 규격이 적용되는 강종의 질량 백분율 조성과 규정된 기계적 성질을 제공합니다. 그렇더라도 표에는 각 항목을 지배하는 ASTM 규격이 무엇인지 명시해야 합니다.

화학 조성만으로 강도를 추론해서는 안 됩니다. ASM International은 탄소강 및 합금강의 성질이 조성, 가공 및 미세조직의 복합적인 영향으로 결정된다고 설명합니다. 더 높은 탄소 함량은 특정 열처리에서 경도를 높일 수 있지만 용접성 또는 충격인성을 저하시킬 수 있으며, 크롬과 니켈의 영향 역시 상 균형과 가공 이력에 좌우됩니다.

반복 적용이 가능한 편집 및 공학 템플릿은 다음과 같습니다.

강종 지정 | 제품 형태 | 적용 표준 및 판 | 상태 | 크기 또는 두께 범위 | 화학 조성 또는 성질 등급 | 원소 또는 정의된 성질 | 값과 단위 | 한계 유형 또는 규정값/일반값 상태 | 시험 방향 | 시험방법 및 판 | 온도 또는 시험편 상태 | 출처, 조항 및 개정 주석

화학 조성, 기계적 성질, 물리적 성질 및 설계값에 대해 별도의 표를 발행해야 합니다. 각 표 옆에 출처 링크와 명시적인 주의사항을 배치하고, 인용된 표준이 명시적으로 지배적 기준으로 정하지 않는 한 모든 표준 간 비교를 비지배적 비교로 표시해야 합니다.

참고 문헌

1. [1]ASTM International. Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties. ASTM standard. https://store.astm.org/a0400-69r12.html
2. [2]ASM International. Mechanical Properties of Carbon and Alloy Steels. ASM Metals Handbook. https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/49/chapter-abstract/613530/Mechanical-Properties-of-Carbon-and-Alloy-Steels
3. [3]American Institute of Steel Construction. General Content and Format of ASTM Standard Specifications for Steel Products. AISC Engineering FAQ. https://www.aisc.org/aisc/solutions-center/engineering-faqs/10-general-content-and-format-of-astm-standard-specifications-for-steel-products/
4. [4]Specialty Steel Industry of North America. Composition and Properties. SSINA technical resources. https://www.ssina.com/education/technical-resources/composition-properties/
5. [5]Nickel Institute. Properties of Some Metals and Alloys. Nickel Institute technical guide. https://nickelinstitute.org/en/resources/technical-guides/properties-of-some-metals-and-alloys-297/