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문제 정의
- 본 연구에서는 경도와 강도를 높이기 위해 용체화 처리한 STS 316L 스테인리스강에 대한 크리프시험을 실시하였고, 크리프 파단수명 예측, 크리프변형과 응력의 의존성, 크리프변형에 대한 활성화 에너지 및 파단면에 대하여 연구하였다. 본 실험연구를 통해 다음과 같은 결론들을 얻었다.
- 세부적인 연구로는 크리프 파단수명예측, 크리프 변형율 속도의 응력의존성, 온도에 따른 크리프 변형 활성화 에너지의 특성, 크리프 파단면들의 특성 등에 대하여 연구하였다. 크리프에 의한 잔존 수명예측은 Larson-Miller 변수법6)을 도입하여 계산함으로써 본 재료의 안정된 사용 응력 및 온도 범위를 예측하고자 하였다. 크리프 잔여수명에 대한 연구결과는 본 연구의 소재로 만들어진 각종의 고온설비들에서 유용한 기초 설계자료로 활용되도록 하였다.
제안 방법
- 실험할 때 노내에 일정한 시험온도가 유지되도록 시험편의 온도변화가 ±1℃ 이하로 조절되도록 하는 제어장치를 노에 연결하였다. 그리고 시험편의 크리프 변형량은 LVDT(선형가변차동변압기)를 활용하여 ±0.5㎛까지 측정 가능하도록 하였다.1)
- 시험편 소재의 압연방향이 갖는 영향을 없애고 강도와 경도를 높이기 위하여 진공로에서 소재의 균질화 처리를 위하여 1,100℃에서 30분 동안 용체화 처리(solution treatment)를 한 후 수냉으로 담금질을 하였다. 당금질 후 강도와 연신율이 극대화되는 등축정과 층상조직의 혼합조직으로 변화시키기 위하여 950℃에서 30분 동안 열처리를 시킨 후 노냉(furnace cooling)으로 풀림처리하였다. Fig.
- 크리프 시험편의 양단은 볼트로 고정시키고, 열전대를 시험편 중앙에 위치시켰다. 또한 유리섬유를 이용하여 열이 밖으로 새지 않도록 하였다.
- 본 연구에서는 STS 316L 스테인리스강을 대상으로 4가지의 일정한 응력 조건들과 4가지의 온도조건들을 조합하여 총 16가지의 시험 조건들에서 크리프 실험을 수행하였다. 세부적인 연구로는 크리프 파단수명예측, 크리프 변형율 속도의 응력의존성, 온도에 따른 크리프 변형 활성화 에너지의 특성, 크리프 파단면들의 특성 등에 대하여 연구하였다.
- 본 연구에서는 STS 316L 스테인리스강을 대상으로 4가지의 일정한 응력 조건들과 4가지의 온도조건들을 조합하여 총 16가지의 시험 조건들에서 크리프 실험을 수행하였다. 세부적인 연구로는 크리프 파단수명예측, 크리프 변형율 속도의 응력의존성, 온도에 따른 크리프 변형 활성화 에너지의 특성, 크리프 파단면들의 특성 등에 대하여 연구하였다. 크리프에 의한 잔존 수명예측은 Larson-Miller 변수법6)을 도입하여 계산함으로써 본 재료의 안정된 사용 응력 및 온도 범위를 예측하고자 하였다.
- 스테인리스강의 크리프시험 후 파단면의 미세 조직 관찰은 아세톤 용액으로 초음파세척 후 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다.
- 시험조건은 Table 3에 나타내었다. 시험 후 주사 전자현미경(SEM)으로 파단면을 관찰하여 파괴의 양상을 분석한다.
- 시험편 소재의 압연방향이 갖는 영향을 없애고 강도와 경도를 높이기 위하여 진공로에서 소재의 균질화 처리를 위하여 1,100℃에서 30분 동안 용체화 처리(solution treatment)를 한 후 수냉으로 담금질을 하였다. 당금질 후 강도와 연신율이 극대화되는 등축정과 층상조직의 혼합조직으로 변화시키기 위하여 950℃에서 30분 동안 열처리를 시킨 후 노냉(furnace cooling)으로 풀림처리하였다.
- 크리프시험 설정조건은 시험편에 미치는 영향을 알아보기 위하여 550℃로부터 15℃의 온도간격으로 상승시켜 565, 580 및 595℃의 4가지 온도조건으로 설정하였으며, 응력은 213, 227, 240 및 253 ㎫의 4가지 조건을 설정하여 전체적으로 16가지의 크리프 시험조건 하에서 시험을 실시하였다. 시험조건은 Table 3에 나타내었다.
- 본 크리프시험에 사용된 STS 316L 스테인리스강은 Fe가 주성분을 이루고, 소량의 Cr, Ni, Mo과 미량의 Mn, Si, C 및 P를 함유한 합금으로 EDS방법으로 분석한 화학적 성분은 Table 1과 같다. 크리프시험편 제작은 ASTM 규격에 의하여 두께 1mm의 판상으로 인장방향과 압연방향이 동일하도록 하였고, 표점거리가 9.6mm인 인장 크리프 시험편을 와이어 방전가공기를 사용하여 제7호 시험편을 제작하여 이용하였다. 이 시험편의 기계적 성질은 Table 2와 같다.
대상 데이터
- 본 크리프시험에 사용된 STS 316L 스테인리스강은 Fe가 주성분을 이루고, 소량의 Cr, Ni, Mo과 미량의 Mn, Si, C 및 P를 함유한 합금으로 EDS방법으로 분석한 화학적 성분은 Table 1과 같다. 크리프시험편 제작은 ASTM 규격에 의하여 두께 1mm의 판상으로 인장방향과 압연방향이 동일하도록 하였고, 표점거리가 9.
- 실험장치는 Andrade와 F. Garofalo 등이8,9) 고안한 레버-빔 형이며, 크리프 변형기구의 정확한 해석을 위해 크리프 변형량에 무관하게 응력이 일정하게 유지되는 크리프 시험기이다. 최대 허용하중은 500 ㎫이고, 자동 레버 조절형 시험기이다.
이론/모형
- 응력별로 네 개의 직선들이 최소 자승오차 회귀 직선으로 계산되었으며, 이 식들에서 상수 C는 그림내의 식들에서 확인할 수 있듯이 10정도로 수렴하는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 일부 온도구간에서의 파단수명이 예측되면 다른 온도구간에서의 파단수명도 Larson-Miller변수식을 이용하여 계산해 낼 수 있다.
- 어느 온도영역에서의 파단수명을 알고 있으면 다른 온도영역에서의 파단수명을 예측할 수 있다. 파단수명의 예측은 비교적 간편하면서도 여러 합금에 폭넓게 적용되는 Larson-Miller변수를 사용하였는데, 이 변수 P는 다음 식으로 계산된다.
성능/효과
- 1) 크리프 시험온도가 550, 565, 580 및 595℃로 증가함에 따라 크리프 변형에 따른 응력지수는 10.86, 10.53, 10.19 및 9.72로 점차적으로 감소하는 경향이 나타났다.
- 2) 크리프 변형에 따른 활성화 에너지는 가해진 응력들이 213, 227, 240 및 253 ㎫로 증가함에 따라 361.57, 344.72, 341.44 및 334.57 kcal/mol로 점차적으로 감소하는 경향을 보였다.
- 3) STS 316L 스테인리스강의 피로수명을 예측하기 위해 본 연구에서는 Larson-Miller 변수를 사용하였으며, 이 Larson-Miller변수의 수명예측 상수 C 값이 약 10정도로 수렴하였다.
- 4) STS 316L 스테인리스강의 크리프 파단면에서는 딤플현상들이 주도적으로 나타났다. 이 현상들은 같은 온도조건하에서는 응력이 작아질수록, 같은 응력조건하에서는 온도가 높아질수록 딤플현상들이 크게 나타났다.
- 5) 단축 하중을 받는 크리프이기에 입계에서 형성되는 미소기공들의 형성 및 합병에 따라 크리프 파단면들은 입계 딤플 연성파괴에 의해 생성되는 것이 확인되었다.
- 5에 나타내었다. 응력별로 네 개의 직선들이 최소 자승오차 회귀 직선으로 계산되었으며, 이 식들에서 상수 C는 그림내의 식들에서 확인할 수 있듯이 10정도로 수렴하는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 일부 온도구간에서의 파단수명이 예측되면 다른 온도구간에서의 파단수명도 Larson-Miller변수식을 이용하여 계산해 낼 수 있다.
- 4) STS 316L 스테인리스강의 크리프 파단면에서는 딤플현상들이 주도적으로 나타났다. 이 현상들은 같은 온도조건하에서는 응력이 작아질수록, 같은 응력조건하에서는 온도가 높아질수록 딤플현상들이 크게 나타났다.
- 사진들에서 확인할 수 있는 것처럼 딤플현상이 파단면에 주도적으로 나타나는 것을 확인할 수 있습니다. 종합적으로 관찰할 수 있는 결론은 같은 온도에서는 응력이 작아질수록 그리고 같은 응력조건 하에서는 온도가 높아질수록 딤플현상들이 확대되는 것을 확인하였습니다. 이러한 현상들은 고온에서 단축방향으로의 인장을 받는 크리프이므로 입계에서 형성되는 미소기공들의 형성 및 합병에 따라 크리프 파단면들이 입계 딤플 연성파괴에 의해 생성되는 것으로 생각된다.
- 크리프 온도 595℃에서는 크리프응력의 증가에 따라 크리프저항성이 감소하였고 파단 변형율도 감소하였다. 크리프온도가 제일 높은 관계로 표에서 보는 것과 같이 각 응력별 비교에서 가장 짧은 시간에 크리프파단현상들이 나타나는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 크리프에 의한 잔존 수명예측은 Larson-Miller 변수법6)을 도입하여 계산함으로써 본 재료의 안정된 사용 응력 및 온도 범위를 예측하고자 하였다. 크리프 잔여수명에 대한 연구결과는 본 연구의 소재로 만들어진 각종의 고온설비들에서 유용한 기초 설계자료로 활용되도록 하였다.
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