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고온에서 운전되는 엔지니어링 구조물의 파단 강도 저하 및 고온 파괴 매개변수를 평가는 주로 표준화된 일축 크리프 시험 또는 크리프 균열 성장 시험을 통해 수행된다. 이러한 표준화된 시험의 시편은 비교적 크기가 크며 상대적으로 많은 양의 재료를 필요로 한다. 재료의 양이 제한된 경우에는 표준화된 시험을 수행하기 어렵다. 따라서 설비의 보수, 교체 없이 구조적 설비의 실제 기계적 물성을 결정을 위한 소형 펀치 시험법을 개발되어왔다.
본 연구의 주요 목표는 재료의 파단 강도 및 크리프 균열 성장 매개변수를 평가 시 기존의 시험법을 대체할 수 있는 소형펀치 시편의 새로운 균열 모델을 제안하는 것이다. 먼저, 균열 형상의 적절한 범위를 결정하기위해 ...

고온에서 운전되는 엔지니어링 구조물의 파단 강도 저하 및 고온 파괴 매개변수를 평가는 주로 표준화된 일축 크리프 시험 또는 크리프 균열 성장 시험을 통해 수행된다. 이러한 표준화된 시험의 시편은 비교적 크기가 크며 상대적으로 많은 양의 재료를 필요로 한다. 재료의 양이 제한된 경우에는 표준화된 시험을 수행하기 어렵다. 따라서 설비의 보수, 교체 없이 구조적 설비의 실제 기계적 물성을 결정을 위한 소형 펀치 시험법을 개발되어왔다.
본 연구의 주요 목표는 재료의 파단 강도 및 크리프 균열 성장 매개변수를 평가 시 기존의 시험법을 대체할 수 있는 소형펀치 시편의 새로운 균열 모델을 제안하는 것이다. 먼저, 균열 형상의 적절한 범위를 결정하기위해 3차원 탄성 유한요소해석을 수행하였다. 이때 균열 형상은 균열비( )와 균열 종횡비( ) 그리고 시편의 두께( )의 변화를 고려하였다. 해석결과 응력확대계수( )는 균열의 자유면의 교차지점 부근을 제외하고는 0.50 균열 종횡비에서 균열 위치에 따라 가장 안정한 값을 보였다. 이는 균열 종횡비 0.50의 초기 균열을 갖는 소형펀치 시편에서의 균열 전면 응력 상태와 응력확대계수 값이 표준화된 시편의 상태와 유사하기 때문에, 크리프 균열 성장 시험의 균열 형상으로 적합하다고 할 수 있다. 제안된 모델의 적용 가능한 범위는 0.50mm, 0.75mm, 및 1.00m의 두께를 가지는 시편에 대해 균열비가 0.10에서 0.30까지이다. 평가에 사용하였던 동일한 형상의 초기 균열에 대해 3차원 탄소성 유한요소해석을 사용하여 J 및 C*의 평가식을 유도하였고, 소성 한계 하중을 결정하였다. 이때 무차원 함수 h1는 EPRI 방법에 따라 다양한 균열 위치에 대하여 결정되었다. 표면균열이 있는 소형펀치 시편의 C* 식은 2차 크리프 구성방정식과 Ramberg-Osgood의 소성식을 이용하여 식을 바탕으로 유도되었다. 유도된 C*식은 초기 균열이 있는 소형펀치 시편의 광역 크리프 조건 하에서 크리프 균열 성장 거동을 특성화 한다. 유도된 응력확대계수 식과 C*-integral식으로부터 전체 균열 선단의 매개변수인 -integral 식을 유도하였다. 실제적 가공성을 고려하여 여러가지 가공법을 이용하여 시편 및 시편의 초기 균열을 가공하였다. 초기 균열을 포함한 시편을 이용하여 다양한 소형펀치 크리프 중단시험(interrupted test) 및 파단시험을 수행하였다. 중단 시험에서는 크리프 균열 성장 길이와 초기 균열길이에 대해 SEM관찰을 통해 측정하였다. 평균 파괴 매개변수인 와 를 통해 평균 균열 성장률을 표현하였다. 따라서 한 번의 중단시험으로부터 한개의 대 대응 데이터를 얻을 수 있다. 최종적으로 본 연구에서 제시된 소형 펀치 시험에 의한 크리프 균열 성장데이터를 표준화된 시험의 결과로 비교할 수 있는 변환식을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Evaluating fracture strength degradation and high temperature fracture parameters for those engineering structures that operate at high temperature are often obtained by standardized mechanical tests such as uniaxial creep testing or conventional creep crack growth (CCG) testing. In certain case, it...

Evaluating fracture strength degradation and high temperature fracture parameters for those engineering structures that operate at high temperature are often obtained by standardized mechanical tests such as uniaxial creep testing or conventional creep crack growth (CCG) testing. In certain case, it is inconvenient or impossible to carry out those test since the amount of material is so limited as to perform conventional testing using standard size specimens. The determination of the actual mechanical properties of structural components without a need for post-material removal repairing has led to the development of small punch (SP) test method.
The main target of this study is to propose a new crack model with the purpose to substitute for conventional test method in determining fracture strength and CCG parameters for material. From the beginning step, a suitable range of crack geometries should be determined by elastic three-dimensional finite element analysis. Variation of crack ratio ( ), crack aspect ratio, ( ) and thickness specimen, ( ) are considered. It can be seen that stress intensity factor, value shows the most stable value along the crack locations when was the aspect ratio was 0.50 except the location very near the intersection of the crack and free surface. It can be argued that the initial crack with of 0.5 could be a good candidate for CCG testing using SP specimen with at surface crack since the stress state and stress intensity factor values along crack front resemble well those state in conventional specimen. The applicable ranges for suggested model are found from 0.10 to 0.30 of crack ratio for the specimens with thickness of 0.50, 0.75, and 1.00 mm. Next, estimation equations for J and C* were derived using 3D elastic-plastic finite element analyses of the surface cracks of the same geometries as were employed for the K-estimation. The dimensionless function, h1 was determined for various crack locations according to the EPRI scheme. The plastic limit load solution was also determined. The -equation of the cracked SP specimen was derived based on the solution using the analogy between the secondary creep constitutive law and the Ramberg-Osgood plasticity law. The C*-equation may be able to be used to characterize the creep crack growth behavior under the extensive creep condition of the cracked SP specimen. From the derived equation of stress intensity factor, and -integral, the full range of a crack tip parameters, -integral equation are derived for configuration parameters. Basing on practical range, pre-cracked specimen is inserted and machined by several techniques machining. A series of interrupted and rupture SP creep test will be conducted. When the testing is stopped, the amount of crack growth length will be measured. Thus, initial crack length and final crack length can be accurately measured by using scanning electron microscopy analysis. The average crack growth rate can be characterized by the average fracture parameter expresses with and parameters. Single test can give a single data point on versus graph. Finally, a related function of CCG data between conventional and SP test method was obtained.