[논문]냉간가공된 316L 스테인리스 강의 인장 및 저주기 피로 물성치에 미치는 동적변형시효의 영향

홍성구; 이순복

doi:10.3795/ksme-a.2003.27.8.1398

제안 방법

wave)가 사용되었다. 0.5%의 총변형률 진폭에 대해 400℃, 550℃, 600℃, 650℃ 의 온도 및 IxlOe/s, IxlO'Vs, 1시(J-% 의 변형률 속도를 이용하였으며, 시험시 한 사이클당 200points 의 하중, 변위, 변형률 신호가 취득되었다. 시험 방법에 대한 자세한 내용은 참고 논문 [11]에 제시되어 있다.
316L 스테인리스 강의 인장 및 저주기 피로시험이 넓은 범위의 온도(20℃ ~750℃) 및 변형률 속도 (IxHf/sTxKT%)에 대해 수행되었으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
셋째, 인장 및 저주기 피로상황에 대해 동적 변형시효가 일어나는 온도영역을 비교 분석하였다. 넷째, 저주기 피로시 관찰되는 피로 저항의 감소 원인에 대해 조사하였으며, 특히 동적 변형시효의 영향에 초점이 맞추어졌다.
첫째, 인장시험 결과를 이용하여 온도 및 변형률 속도가 재료의 기계적 물성치에 미치는 영향과 동적변형시효가 일어나는 영역에 대해 조사하였으며, 시편의 파단면을 관찰함으로써 동적변형시효에 의한 인장파괴 메커니즘의 변화를 연구하였다. 둘째, 저주기 피로의 경우 재료에 17% 소성변형이 시험전에 이미 발생하였기에 반복연화거동이 관찰되었으며, 반복연화 거동에 대한 온도 및 변형률 속도의 영향을 소성변형 메커니즘 및 동적변형시효 효과를 이용하여 분석하였다. 셋째, 인장 및 저주기 피로상황에 대해 동적 변형시효가 일어나는 온도영역을 비교 분석하였다.
furnace 가 사용되었다. 변형률 제어 및 측정을 위해 MTS 사에서 제작된 고온용 단축 신장계(model no. : 632-13F-20, gauge length : 25mm)를 이용하였으며, 시험을 수행하면서 변위, 하중 및 변형률 신호를 측정하였다.
본 연구에서는 냉 간가공(cold drawn process) 공정에 의해 제작된 17% CW(cold work) 316L 스테 인 리스 강을 이용하여 다양한 온도(20℃~750℃) 및 변형률 속도(IxlM/sT시CT%)에서 인장 및 저주 기피로 시험을 수행하였으며, 다음의 내용에 초점을 맞추어 결과를 분석하였다. 첫째, 인장시험 결과를 이용하여 온도 및 변형률 속도가 재료의 기계적 물성치에 미치는 영향과 동적변형시효가 일어나는 영역에 대해 조사하였으며, 시편의 파단면을 관찰함으로써 동적변형시효에 의한 인장파괴 메커니즘의 변화를 연구하였다.
둘째, 저주기 피로의 경우 재료에 17% 소성변형이 시험전에 이미 발생하였기에 반복연화거동이 관찰되었으며, 반복연화 거동에 대한 온도 및 변형률 속도의 영향을 소성변형 메커니즘 및 동적변형시효 효과를 이용하여 분석하였다. 셋째, 인장 및 저주기 피로상황에 대해 동적 변형시효가 일어나는 온도영역을 비교 분석하였다. 넷째, 저주기 피로시 관찰되는 피로 저항의 감소 원인에 대해 조사하였으며, 특히 동적 변형시효의 영향에 초점이 맞추어졌다.
이러한 냉간가공 공정에 의해 재료에는 이미 17%의 인장 변형이 유발되었다. 재료의 화학적 조성은 C, Si, Mn, P, S, Ni, Cr, Mo, N 이 각각 0.025, 0.41, 1.41, 0.025, 0.025, 10.22, 16.16, 2.09, 0.043 wt% 로 구성 되 었으며 linear intercept method 를 이용해 재료의 평균 입도 (grain size)를 즉 정 한 결과 44.2 gm 였 다.
저주기 피로변형시 발생하는 파손 메커니즘을 연구하기 위해, 주사전자현미경을 이용하여 피로 파손된 시험편의 파단면을 관찰하였다. 모든 시험조건(400℃~650℃, lxl0"/s시xl02/s)에서 시편의 표면으로부터 균열이 발생하여 striation 을 갖는 입내 진전 모드(transgranular crack propagation)로 시편의내부로 균열이 진전해 나갔으며, 다수의 균열발생장소(multiple crack initiation sites)가 관찰되었다(Fig.
결과를 분석하였다. 첫째, 인장시험 결과를 이용하여 온도 및 변형률 속도가 재료의 기계적 물성치에 미치는 영향과 동적변형시효가 일어나는 영역에 대해 조사하였으며, 시편의 파단면을 관찰함으로써 동적변형시효에 의한 인장파괴 메커니즘의 변화를 연구하였다. 둘째, 저주기 피로의 경우 재료에 17% 소성변형이 시험전에 이미 발생하였기에 반복연화거동이 관찰되었으며, 반복연화 거동에 대한 온도 및 변형률 속도의 영향을 소성변형 메커니즘 및 동적변형시효 효과를 이용하여 분석하였다.

대상 데이터

시험에 사용된 17% CW 316L 스테인£]스 강은 IlOCfC 에서 40분간 용체화 처리 후 수냉되었으며다시 냉간가공 공정(cold drawn process)에 의해 지름이 16mm 인 봉으로 가공되었다. 이러한 냉간가공 공정에 의해 재료에는 이미 17%의 인장 변형이 유발되었다.
하였다. 시험에 사용될 시험편은 ASTM standard E606-92에 의거하여 dog-bone 타입으로 설계되었으며, gauge length 의 직경 및 길이는 각각 8mm, 36mm °] 다.
시험편은 원재료로부터 선반 가공하였으며 표면 거칠기가 시험 결과에 미치는 영향을 배제하기 위해 에머리 페이퍼를 사용하여 #2000(13nm)까지 경면가공 하였다. 시험에 사용될 시험편은 ASTM standard E606-92에 의거하여 dog-bone 타입으로 설계되었으며, gauge length 의 직경 및 길이는 각각 8mm, 36mm °] 다.

이론/모형

인장 및 저주기 피로시험을 수행하기 위해 MTS 사에서 제작된 5 톤 용량의 closed-loop servo- hydraulic test system °] 사용되었으며, 온도제어를 위해 ± 의 온도제어가 가능한 3-zone resistance type furnace 가 사용되었다. 변형률 제어 및 측정을 위해 MTS 사에서 제작된 고온용 단축 신장계(model no.
저주기 피로시험은 변형률 제어를 이용한 총변형률 진폭 제어에 의해 수행되었으며, 시험시 변형률 속도를 일정하게 하기 위해 삼각파(fiilly reversed triangular wave)가 사용되었다. 0.

성능/효과

시험편의 파단면을 관찰하였다. 모든 시험조건(400℃~650℃, lxl0"/s시xl02/s)에서 시편의 표면으로부터 균열이 발생하여 striation 을 갖는 입내 진전 모드(transgranular crack propagation)로 시편의내부로 균열이 진전해 나갔으며, 다수의 균열발생장소(multiple crack initiation sites)가 관찰되었다(Fig. 9). SA508 강에 대한 연구。, 에 의하면 저주기 피로 시 동적변형 시 효가 일어 나게 되면 용질원자 분위기에 이동전위가 고착되므로 변형이 불균등 (inhomogeneity)하게 발생하고, 이렇게 국부화된 변형(localized deformation)은 균열발생장소로 작용하게 된다.
(1) 동적변형시효에 의한 재료강도의 증가 및 연성의 감소가■ 250℃~&)0℃ 온도영역에서 관찰되었으며, 이러한 온도영역은 변형률속도민감도 및 dynamic strain hardening stress 개념을 이 용해 결정되는 동적 변형시효 영역과 일치하였다. 그러나 serration 발생 온도구간과는 다소 차이가 존재하였다.
(2) 온도 및 변형률 속도에 따라 인장파괴 메커니즘의 변화가 관찰되었으며, 동적변형시효 영역에서는 다른 온도와 비교하여 fibrous zone 의 크기가 감소하였다. 이러한 fibrous zone크기의 감소는 동적변형시효 영역에서 관찰되는 연성의 감소와 일치하였다.
(3) 변형률속도민감도를 이용하여 동적변형시효 영역을 결정할 경우 인장과 저주기피로 상황 모두에 대해 동적변형시효가 발생하는 온도영역이 일치하였다. (4) 저주기 피로시 동적변형시효 영역에서의 반복연화량은 다른 온도에 비해 작은 값을 가졌으며, 이는 동적 변형시효에 의해 유발되는 경화에 의한 것이다.
일치하였다. (4) 저주기 피로시 동적변형시효 영역에서의 반복연화량은 다른 온도에 비해 작은 값을 가졌으며, 이는 동적 변형시효에 의해 유발되는 경화에 의한 것이다.
(5) 저주기 피로시 온도의 증가 및 변형률 속도의 감소에 의해 재료의 피로저항(fatigue resistance)에 급격한 감소가 발생하였으며, 이는 소성변형 메커니즘의 변화, 크리프, 산화, 동적변형시효의 영향(또는 상호작용)에 의해 설명되어 진다. 동적변형시효 영역의 경우 다른 온도에 비해 변형률 속도가 감소함에 따라 피로수명의 급격한 감소가 발생하였는데, 이는 변형률 속도가 느려지게 되면 동적변형시효에 의해 더 큰 응력이 균열선단에 발생하고 이로 인해 균열의 진전속도가 가속화 되어, 균열전파수명을 감소시키기 때문인 것으로 추정된다.
(6) 저주기 피로의 파손 메커니즘은 모든 시험조건(400, C~650℃, 1시(尸/s~lxl0-2/s)에서 유사하였다. 시편의 표면에서부터 균열이 발생하여 striation 을 갖는 입내(transg部nular)진전 모드로 시편의 내부로 전파해가는 양상이 관찰되었다.
3(b)에서 볼 수 있듯이, 인장응력에 대한 변형률 속도의 영향은 크게 세 온도영역으로 구분된다. 250℃ 미만의 온도에서는 변형률 속도의 영향이 거의 없으며, 250℃~550℃ 온도영 역에서는 변형률 속도가 높아짐에 따라 경화가 감소하는 negative strain rate stress response 거동이, 600℃ 에서는 천이(transition) 거동이, 650℃ 이상에서는 변형률 속도가 높아짐에 따라 경화가 증가하는 positive strain rate stress response 거동이 관찰되었다. BeukeK")에 의하면 동적변형시효는 do/dlne 로 정 의되는 변형 률속도민감도(SRS : strain rate sensitivity) 값이 음이 될 때 발생한다고 보고되었다.
구분되었다. 600℃ 이하의 온도영역에서는 변형률 속도가 감소함에 따라 응력이 증가하는 negative strain rate stress response 가, 600℃ 에 서는 transition 거동이, 600℃ 이상에서는 변형률 속도가 감소함에 따라 응력이 감소하는 positive strain rate stress response 가 관찰되었으며, 이러한 반복응력 거동은 인장거동의 경우와 일치하였다. Half-life 에서의 응력-변형률 관계(Fig.
3(a)와 (b)에 제시되어 있다. 결과에서 볼 수 있듯이 항복응력의 경우 변형률 속도 영향이 불분명하였지만, 인장응력의 경우 그 영향이 명확하게 관찰되었다. Fig.
3(c)에 제시되어있다. 결과에서 알 수 있듯이 인장과 저주기 피로 상황 모두에 대해 변형률속도민감도가 음이 되는 동적 변형시효 영역 (40VC ~ 60SC) 이 일치하였으며, 그 값도 비슷하였다. 또한 각 온도에서의 변형률 속도 민감도는 Fig.
변형률 속도 및 온도에 따른 재료강도의 변화를 살펴보면, 항복응력과 인장응력은 온도가 높아 짐에 따라 감소하였으며 온도에 따른 감소의 폭이 완만해 지거나 오히려 증가하는 온도구간이 250℃~600℃ 에 존재하였다(Fig. 3(a) and (b)).
산화와 크리프 효과를 이용해 고온에서 발생하는 피로저항 감소를 설명할 경우, 각 온도에서 변형률 속도가 감소할 경우 피로저항은 감소하며 이러한 경향은 온도가 높아짐에 따라 증가해야 하지만, Fig. 8 의 시험 결과에서 볼 수 있듯이 온도가 높아짐에 따라 감소하는 상반된 결과가 관찰되었다. 이는 피로저항 감소의 원인으로 산화, 크리프효과 외에 다른 요인이 있음을 의미 하며, 동적 변형시효 효과에 의한 것이다.
" data-before="있다" data-ocr-fix="">있다. 안정화된 영역(N=N(/2)에서 한 사이클당 소모되는 소성 변형률 에너지밀도(plastic strain energy density) 가계산되었으며, Fig. 6(c)에서 볼 수 있듯이 각 온도에서 변형률 속도가 느려짐에 따라 증가하였다. 이는 각 온도에서 변형률 속도가 감소함에 따라피로저항이 감소하는 사실과 잘 부합되었다.
온도 및 변형률 속도에 따른 연성의 변화를 보면 전체적으로 250℃~600℃ 온도영역에서 최소 연 신률이 발생하며, 최소 연신률 발생 온도영역은 변형률 속도가 증가함에 따라 조금씩 고온으로 이 동하였다(Fig. 3(e)).
이상의 결과로부터 316L 스테인리스 강에서 동 적변형시효가 일어나는 온도영역은 250℃~600℃임을 알 수 있었으며, 이러한 사실은 온도에 따른 인장강도(strength) 변화에서 관찰되는 고평부 발생 온도에 따른 연신률 변화에서 관찰되는 저평부 또는 최소 연신률의 발생, 변형률속도민감도가 음이 되는 온도 영 역, dynamic strain hardening stress 의 변화 등에 검증될 수 있었다. 하지만 serration 발생 온도영역과는 다소 차이가 있음을 알 수 있었다.
인장파괴된 시험편의 파단면 을 주사전자현미경 을 이용해 관찰한 결과, 파괴 메커니즘이 온도 및 변형률 속도에 따라 변함을 관찰할 수 있었다. 동 적변형시효가 일어나지 않는 낮은 온도에서는 전 형적인 연성파괴인 c叩-cone type 의 파괴가 발생하였다.
9)하기까지 거의 일정하였다. 즉, 재료가 안정화되면 변형률 속도 민감도는 일정하게 유지됨을 알 수 있었다.
3(e)). 최소 연신률 발생 온도영역은 인장강도에서의 고평부 발생 및 변형률속도민감도 가 음이 되는 온도영역과 일치하였지만, serration 이 관찰되는 온도영역과는 다소 차이가 있었다. 300℃ 미만의 온도에서는 재료연성에 대한 변형률 속도의 영향이 관찰되 지 않지 만 300 ℃ 이상의 온 도에서는 변형률 속도가 감소함에 따라 연성이 증 가하였으며 이러한 경향은 온도가 높아짐에 따라 가속화되었다.

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냉간가공된 316L 스테인리스 강의 인장 및 저주기 피로 물성치에 미치는 동적변형시효의 영향
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