냉간성형 스테인리스강: 항복점이 없어 탄성계수가 여럿이고, 재료 선택의 기준은 환경이다

스테인리스강은 명확한 항복점이 없는 재료다. 응력을 올리면 어느 지점부터 강성이 서서히 떨어지고, 그래서 탄성계수를 하나의 값으로 쓸 수 없다. 기준의 기호 목록에 초기탄성계수, 할선탄성계수, 접선탄성계수가 따로 정의되어 있는 이유다.

그리고 이 재료를 쓰는 이유가 강도가 아니라 내식성이므로, 조문은 어떤 환경에 어떤 계열을 쓸 것인가를 먼저 다룬다.

세 가지 상황에서 쓴다. ① 해안과 제빙 염화물 환경 — 도장으로 유지관리하기 어려운 자리다. ② 수영장·실내 습윤 환경 — 염소 화합물이 상시 존재한다. ③ 노출 마감 구조 — 구조체가 곧 마감이라 도장을 할 수 없다.

이 글은 KDS 41 30 40 냉간성형 스테인리스강 설계기준의 조문을 인용한다. 유효폭·좌굴강도 산정식은 옮기지 않았다.

1. 세 계열은 다른 재료에 가깝다

기준은 스테인리스강을 세 계열로 나누고, 계열별로 사용할 수 있는 강종을 지정한다(3.2).

계열지정 강종최소항복강도 · 최소인장강도

오스테나이트계STS 301, 301L, 304, 304L, 316L175~215 MPa · 480~550 MPa

페라이트계STS 430, 439, 430J1L, 445NF175~245 MPa · 360~450 MPa

듀플렉스계 (오스테나이트계·페라이트계)STS 329LD, 329J3L, 329FLD450 MPa · 620 MPa

표 3.5-1의 값이다. 듀플렉스계의 최소항복강도가 오스테나이트계의 두 배가 넘는다. 기준의 용어 정의도 그 이유를 적어 둔다 — 듀플렉스계는 "상온에서 오스테나이트상과 페라이트상의 혼합조직으로 강도가 우수하고 결정립이 미세화되며 응력부식 균열, 틈새부식 및 공식에 대해 저항성이 우수하고 기계적 강도가 높음. 또한 열팽창계수가 낮고 용접이 용이"(1.4).

다른 두 계열의 성격도 정의에 있다.

오스테나이트계 — 크롬과 니켈을 함유해 상온에서 오스테나이트 조직을 나타내며, "스테인리스강중 가장 내식성에 뛰어나, 가공성이나 용접성도 좋고, 열처리에 따라서 경화성은 없이, 일반적으로 비자성". 18Cr-8Ni강이 대표적이다.

페라이트계 — 낮은 크롬·니켈 함량으로 "오스테나이트계보다 내식성은 열위지만 응력부식균열(SCC)에는 우수". 상온에서 강자성이고 "열처리에 의해 강화되지 않으며 냉간가공성이 매우 우수"하다.

여기서 나오는 선택 기준이 단순하지 않다. 전반적 내식성은 오스테나이트계가, 응력부식균열 저항은 페라이트계가 유리하고, 강도와 종합적 부식 저항은 듀플렉스계가 앞선다. 환경에 따라 답이 달라진다.

두께에도 제한이 붙는다 — "오스테나이트계 및 듀플렉스계 스테인리스강의 최대 두께는 6.0 mm 이하, 페라이트계 스테인리스강의 최대 두께는 3.0 mm 이하로 제한한다. 단, 최대 두께 제한을 초과하는 강재에 대해서는 관련학회에서 재료 및 구조검증에 의해 구조안전성 확인 후 사용할 수 있다"(3.2).

2. 탄성계수가 하나가 아니다

기호 정의(1.5)에 나오는 탄성계수만 여러 개다 — 초기탄성계수, 감소탄성계수, 할선탄성계수, 접선탄성계수, 그리고 휨부재에서는 압축플랜지의 할선탄성계수와 인장플랜지의 할선탄성계수가 각각 정의된다. 전단에도 초기전단탄성계수와 할선전단탄성계수가 따로 있다.

이유는 재료의 응력-변형 곡선이다. 스테인리스강은 항복점이 뚜렷하지 않고 완만하게 곡선을 그리며 강성을 잃는다. 그래서 응력이 낮을 때의 기울기(초기탄성계수)와 어느 응력 수준까지의 평균 기울기(할선탄성계수), 그 지점에서의 순간 기울기(접선탄성계수)가 모두 다르다.

설계에서 나타나는 결과는 검토 항목마다 다른 탄성계수를 써야 한다는 것이다. 처짐은 사용하중 수준의 할선탄성계수로, 좌굴은 그 응력 수준의 접선탄성계수로 다룬다. 휨부재에서 압축·인장 플랜지의 할선탄성계수를 나눈 것은 두 플랜지의 응력 수준이 다르므로 강성도 다르다는 뜻이다. 단면이 대칭이라도 중립축이 기하학적 중심에 있지 않게 된다.

3. 냉간성형 강도 증가는 조항을 지정해서 허용한다

스테인리스강은 냉간가공으로 강도가 크게 올라가는 재료다. 기준은 그 증가를 인정하되 쓸 수 있는 조항을 열거한다.

이 절에서 허용하지 않는 한, 재료의 공칭강도는 성형하지 않은 재료의 성능을 따라야 한다. — KDS 41 30 40, 3.4.2 (1)

이 절에서 허용하지 않는 한, 재료의 공칭강도는 성형하지 않은 재료의 성능을 따라야 한다. — KDS 41 30 40, 3.4.2 (1)

적용 대상 단면은 둘로 한정된다 — 유효폭 감소계수로 각 구성요소의 비율이 결정된 축력 부재·휨재 플랜지·각형강관, 그리고 외경 대 두께비가 규정값을 넘지 않는 원형강관(3.4.2.1).

적용 가능한 조항도 여섯 개로 열거된다 — 인장재, 집중하중을 받는 압축부재, 공칭휨강도, 횡좌굴강도, 축하중과 휨의 조합, 원형강관 부재. 그리고 단서가 붙는다 — "이 기준 내의 다른 모든 규정의 적용은 냉간성형 이전의 재료특성을 준수하여야 한다"(3.4.2.2 ②).

같은 부재를 검토 항목에 따라 다른 강도로 계산한다는 뜻이다. 인장재로 볼 때는 증가된 강도를, 국부좌굴을 볼 때는 성형 전 강도를 쓴다. 강도 증가가 재료 전체의 성질 변화가 아니라 특정 파괴 모드에만 유효하기 때문이다. 냉간성형강이 국부좌굴이 없을 때만 강도 증가를 허용하는 것과 같은 논리를, 여기서는 조항 목록으로 구현했다.

그리고 상한이 있다 — 설계 항복강도는 "최소항복강도, 스테인리스강 시험에 의해 결정된 강도 또는 냉간성형에 의해 증가된 강도를 초과할 수 없다"(3.4.1).

4. 부식 환경은 전문가 검토를 요구한다

1.6.3.6은 내구성을 네 항으로 규정한다.

부식이 강도나 사용성을 손상시킬 수 있으면 구조요소는 내식성을 가지도록 하거나 부식에 저항하도록 설계한다. 특히 탄소강 부재와 볼트 및 용접접합으로 접합하는 경우는 구조물의 내구 요구사항에 따른다.

설계수명 동안의 사용환경에 적합한 내식성능을 지닌 강종을 선정한다.

구조부재가 아닌 마감재는 불순물 침착에 따른 표면의 미세한 변화를 고려한다.

가혹하지 않은 환경에서는 (2)(3)으로 충분하지만, 유해한 생산공정, 수영장 건물, 해수, 제빙 염화물 살포 등 부식의 화학적 반응이 유발되는 환경에서는 관련 전문가의 검토를 받아야 한다.

첫 번째 항의 단서가 실무에서 가장 자주 걸린다. 스테인리스강을 탄소강에 접합하는 순간 그 접합부는 이종금속 접촉이 되고, 스테인리스강 자체는 멀쩡해도 탄소강 쪽이 먼저 부식한다. 그래서 재료를 바꾸는 것만으로는 문제가 해결되지 않고 접합부의 처리가 함께 정해져야 한다.

네 번째 항의 목록도 구체적이다 — 수영장 건물이 해수·제빙 염화물과 같은 등급으로 열거되어 있다. 염소 소독의 부산물이 상시 공기 중에 있는 환경이고, 여기서는 일반적인 스테인리스강 선택 기준이 성립하지 않는다.

기준 밖으로 나가는 길도 열려 있다 — 규정되지 않은 대체 형상이나 제작방법의 사용을 제한하지 않으며, 다만 시험 요구사항을 만족하고 강구조 설계기준과 냉간성형강 설계기준을 함께 만족해야 한다(1.2.2).

5. 정리

세 계열은 성능이 다르다 — 전반적 내식성은 오스테나이트계, 응력부식균열 저항은 페라이트계, 강도와 종합 내식성은 듀플렉스계.

듀플렉스계의 최소항복강도는 450 MPa로 오스테나이트계(175~215 MPa)의 두 배가 넘는다.

최대 두께는 오스테나이트·듀플렉스 6.0 mm, 페라이트 3.0 mm이며, 초과하려면 관련학회의 재료·구조 검증이 필요하다.

탄성계수가 하나가 아니다 — 초기·감소·할선·접선, 그리고 휨부재에서는 압축·인장 플랜지의 할선탄성계수가 따로 정의된다.

냉간성형 강도 증가는 조항을 지정해 허용한다 — 인장재, 집중하중 압축부재, 공칭휨강도, 횡좌굴강도, 조합력, 원형강관. 그 밖의 규정은 성형 전 재료특성을 쓴다.

설계 항복강도는 최소항복강도·시험값·냉간성형 증가값을 초과할 수 없다.

탄소강과 접합하면 구조물의 내구 요구사항을 따라야 한다.

수영장·해수·제빙 염화물 환경은 전문가 검토 대상이다.

이 기준이 다른 재료 기준과 갈라지는 지점은 두 가지다. 하나는 강성이 응력에 따라 변한다는 것이고, 다른 하나는 재료 선택의 이유가 강도가 아니라 환경이라는 것이다. 그래서 조문은 탄성계수를 여러 개로 나누고, 강도 증가를 조항 단위로 허용하며, 어떤 환경에서 누구의 검토를 받아야 하는지까지 규정한다.