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문제 정의
- 본 연구에서는 용착부 및 CF8M 열영향부에 노치를 가공한 CF8M/SA508 이종 용접재에 대해 탄 소성 파괴 인성시험을 수행한 후, 이종재 용접부의 열화가 탄소성 파괴인 성치, R에 미치는 영향을 파악하고자 한다. 아울러, CF8M 모재와 이종 용접재의 탄소성 파괴인성치에 대해 열화 거동을 비교, 평가해 보고자 한다.
- 본 연구에서는 용착부 및 CF8M 열영향부에 노치를 가공한 CF8M/SA508 이종 용접재에 대해 탄 소성 파괴 인성시험을 수행한 후, 이종재 용접부의 열화가 탄소성 파괴인 성치, R에 미치는 영향을 파악하고자 한다. 아울러, CF8M 모재와 이종 용접재의 탄소성 파괴인성치에 대해 열화 거동을 비교, 평가해 보고자 한다.
제안 방법
- 3에 노치를 가공한 건전재 및 열화 재들에 대한 충격시험 결과, 열화에 따른 충격치의 변화는 CF8M 열영향부에서 가장 크게 나타났으며, 충격 치는 용착부에서 가장 작게 나타났다.3) 따라서, 본 연구의 탄소성 파괴 인성시험에서는 CF8M 열영향부 및 용착부에 노치를 가공하였다.
- 한편, 열화재 제작온도는 CF8M의 열화 거동에 주안점을 두어 475℃ 취성이 발생되는 메커니즘에 해당되며, 원전 사용조건을 고려하여 가능한 한 낮은 온도인 430℃를 선택하였다.何 각 단계별 모의 열화 재의 제작은 본 연구실에서 개발한 43 0℃에서 300, 1800 및 3600시간 유지 후 수냉하는 방법을 사용하였다.⑺ 본 연구에서는 열화되지 않은 용접재를 건전재(virgin material)라 하였고, 각 단계별 열화 재를 각각 4*0 30 300시간, 1800시간 및 3600시간 열화재(degraded material)라 명하였다.
- 건전재, 43(TC에서 300시간 및 1800시간 열화 재의 모재, 용착부 및 열영향부에서 조직을 위에서 언급한 방법에 따라 관찰한 후, CF8M 열 영향 부(heat affected zone, HAZ)의 대표적인 조직을 Fig. 1에 나타내었다.
- 시험편 노치 선단의 피로 예 균열은 ASTM E1152-87(11) 및 E813-87®의 7.6항의 조건에 따라 수행하였으며, 다음과 같은 조건으로 도입하였다.
- 3의 용접조건을 Table 2에 나타내었다. 용접후열처리 (post-weld heat treatment, PWHT)는 614℃에서 6.5시간 실시하여 용접부의 잔류응력을 최소화하였다. 、
- 2와 같이 두께(B) 25 nun를 기준으로 하는 CT 표준시험편을 제작하였다. 이때, 기계노치부의 폭은 1.6<N<W/10의 범위, 즉 3 mm로 하고 균열 진전의 터널링(tunneling) 현상을 방지하기 위하여 쉐브론 노치 (chevron notch)를 가공하였다.
- 조직관찰은 먼저 SA508 cl.3은 3%의 나이탈(nital; HN03 (3mL)+ethanol(97mL)) 용액에서 5초간 에칭(3) 후 수행하였으며, CF8M 및 용가재 부분은 HCl(15mL)+HNO3(5mL) 용액에서 약 10초간에칭 후 조직관찰을 수행하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 탄소성 파괴 인성 시험편은 ASTM E813-87㎛에 따라 Fig. 2와 같이 두께(B) 25 nun를 기준으로 하는 CT 표준시험편을 제작하였다. 이때, 기계노치부의 폭은 1.
- 본 연구에 사용되는 두 재료는 원전 1차 냉각 계통 배관에 사용되는 주조 스테인리스강인 ASTM A351 G. CF8M 및 노즐용 재료인 ASME SA5O8 cL3이다. 본 연구에서 사용된 CF8M 및 SA508 cl.
- CF8M 및 노즐용 재료인 ASME SA5O8 cL3이다. 본 연구에서 사용된 CF8M 및 SA508 cl.3 와 용가재로 사용된 ER308L 및 ER309L의 화학적 성분을 Table 1에 나타내었다.
- 사용된 재료는 건전재, 430笆 300시간, 1800시간 및 3600시간 열화 재의 4종류다. 선행 연구에서 CF8M 열영향부, 용착부 및 SA508 cl.
데이터처리
- 탄소성 파괴 인성시험은 제하 컴플라이언스법3) 을 통해 얻은 하중-하중선 변위 (J-R curve)로부터 J 값을 얻어 멱함수 회귀 (power law regression)법으로 곡선 접합(curve fitting) 후 최종 탄소성 파괴 인 성치(Jic) 값을 산출하였다.
성능/효과
- (1) 조직관찰에서 열화가 진행됨에 따라 CF8M 모재 및 열영향부의 페라이트 상이 합체되어 조 대 해지는 결과가 나타났다.
- (2) 이종 용접재에서 열화의 영향을 가장 크게 받는 CF8M 열영향부에 노치를 가공한 탄소성 파 괴인 성 시험 결과, Jic값은 건전재의 경우가 가장 크게 나타났으며, 열화가 진행됨에 따라 그 값의 감소가 나타났다.
- (3) CF8M 열영향부에 노치를 가공한 이종 용접재의 Jic값은 CF8M 모재에 비해 전 열화 영역에서 다소 작은 값을 나타내었다.
- (4)용 착부에 노치를 가공한 이종용접재의 Jic 값은 열화에 따른 차이가 미비하였다. 더불어 CF8M 모재, CF8M 열영향부 및 용착부에 노치를 가공한 이종용 접재의 Jic값을 비교해볼 때, 용착부의 Jic가 가장 낮은 값을 나타내었다.
- 여기서, 취성적인 양상을 보이는 부분은 용착부가 다층으로 용접됨으로 인한 층간 경계 부분이 마치 일반적인 딤플과 비슷한 양상을 보이고 있으나, 그 면이 매우 깨끗한 전단 양상을 띄고 있다. (b) 300시간 열화 재는 매우 미세한 딤플들이 형성되어 있으며, 이러한 연성 파면에 규모가 다소 큰 개재물들이 내재되어 있으며, 취성파괴 양상의 파면은 날카로운 형상을 보이고 있다. (c) 1800시간 열화 재의 경우 연성 파면의 딤플 양상은 300시간 열화 재와 비슷하지만, 취성파면 영역의 면적률이 다소 증가하였으며, 그 형태가 보다 취성파면 양상으로 나타내며, (d) 3600시간 열화 재는 거의 1800시간 열화 재와 파면 양상이 매우 흡사하게 관찰되었다.
- Fig. 5(a) 건전재의 경우 파면의 일반적인 거친 딤플 (dimple)의 연성 파면을 나타내고 있으며, (b) 300시간 열화 재는 연성 파면의 딤플 규모가 건전재에 비해 다소 작아지고, 취성파괴 양상의 파면이 상당히 형성되어 있으며, 석출물의 증가 및 A 부분 과 같은 표면 결정립 계를 따라 형성된 2차 균열의 형성 등으로 인해 J 값의 급격한 감소를 가져온 것으로 생각된다. (c) 1800시간 열화 재의 경우 연성 파면의 딤플 양상은 300시간 열화재에 비해 소형화되고, 취성파면 영역의 면적률이 증가하였으며, 그 형태가 보다 일반적인 취성파면 양상으로 발전함을 알 수 있다.
- 5(a) 건전재의 경우 파면의 일반적인 거친 딤플 (dimple)의 연성 파면을 나타내고 있으며, (b) 300시간 열화 재는 연성 파면의 딤플 규모가 건전재에 비해 다소 작아지고, 취성파괴 양상의 파면이 상당히 형성되어 있으며, 석출물의 증가 및 A 부분 과 같은 표면 결정립 계를 따라 형성된 2차 균열의 형성 등으로 인해 J 값의 급격한 감소를 가져온 것으로 생각된다. (c) 1800시간 열화 재의 경우 연성 파면의 딤플 양상은 300시간 열화재에 비해 소형화되고, 취성파면 영역의 면적률이 증가하였으며, 그 형태가 보다 일반적인 취성파면 양상으로 발전함을 알 수 있다. (d) 3600시간 열화 재는 거의 1800시간 열화 재와 파면 양상이 비슷하지만, 취성파면 영역이 증가하였으며, B와 같은 2차 균열이 관찰되었다.
- (b) 300시간 열화 재는 매우 미세한 딤플들이 형성되어 있으며, 이러한 연성 파면에 규모가 다소 큰 개재물들이 내재되어 있으며, 취성파괴 양상의 파면은 날카로운 형상을 보이고 있다. (c) 1800시간 열화 재의 경우 연성 파면의 딤플 양상은 300시간 열화 재와 비슷하지만, 취성파면 영역의 면적률이 다소 증가하였으며, 그 형태가 보다 취성파면 양상으로 나타내며, (d) 3600시간 열화 재는 거의 1800시간 열화 재와 파면 양상이 매우 흡사하게 관찰되었다. 전반적으로 용착부의 탄소성 파괴 인성시험 결과 나타난 파면은 열 화시간에 따른 차이가 크게 관찰되지 않고 있으며, 이로 인해 Jic 값의 변화가 거의 없음을 알 수 있다.
- (c) 1800시간 열화 재의 경우 연성 파면의 딤플 양상은 300시간 열화재에 비해 소형화되고, 취성파면 영역의 면적률이 증가하였으며, 그 형태가 보다 일반적인 취성파면 양상으로 발전함을 알 수 있다. (d) 3600시간 열화 재는 거의 1800시간 열화 재와 파면 양상이 비슷하지만, 취성파면 영역이 증가하였으며, B와 같은 2차 균열이 관찰되었다.
- 동 그림에는 CF8M 모재의 선행 연구 결과 얻은 血값과 열화 시간 사이의 관계㎛도 나타내었다. CF8M 열영향부에 노치를 가공하여 탄소성 파괴 인성 시험한 결과와 CF8M 모재에 대해 탄소 성 파괴 인성시험으로부터 얻은 血값과 열화 시간 사이의 관계를 비교해 볼 때, CF8M 열영향부의 Jic값이 전 열화 영역에서 모재에 비해 다소 작게 나타났다. CF8M 열영향부가 모재보다 血값이 작게 나타난 원인의 하나는, CF8M 열영향부에 나타난 페라이트 상의 분포가 모재에 비해 상대적으로 좁은 영역으로 집중되어 탄소성 파괴인성치에 영향을 준 때문으로 생각된다.
- 4는 이들 결과로부터 열화정도에 따른 血 값의 변화를 CF8M 모재 (CF8M base metal), CF8M 열영향부에 노치를 가공한 용접재(welded material; HAZ of CF8M) 및 용착부에 노치를 가공한 용접재(welded material; deposited zone) 에 대해 각각 나타낸 것이다. 그 결과, CF8M 열영향부에 노치를 가공한 경우, 430 ℃ 에서 열화 시간이 300시간까지는 he 값이 급격히 감소하였으며, 그 후 열화가 진행되면서 조금씩 감소하는 경향을 나타내었다. 이것은 Fig.
- (4)용 착부에 노치를 가공한 이종용접재의 Jic 값은 열화에 따른 차이가 미비하였다. 더불어 CF8M 모재, CF8M 열영향부 및 용착부에 노치를 가공한 이종용 접재의 Jic값을 비교해볼 때, 용착부의 Jic가 가장 낮은 값을 나타내었다.
- 또한 용착부에 노치를 가공한 건전재, 430℃ 300시간, 1800시간 및 3600시간 열화재에 대하여 Jic값을 결정한 결과, Jic값은 건전재의 경우 각각 149.80 kJ/m2, 4300 300시간 열화 재의 경우 169.22 kJ/m2, 430 ℃ 1800시간 열화 재의 경우 154.41 kJ/m2, 430 ℃ 3600시간 열화 재의 경우 158.06 kJ/m2 및 152.96 kJ/m? 로 나타났다. 그 결과로 나타난 J-R 곡선을 Fig.
- 상기 결과를 종합해 볼 때, CF8M/SA508 용접재의 탄소성 파괴인성 특성은 J, c 값이 가장 작게 나타난 용착부를 중심으로 건전성을 평가하는 것이 보수적 견지에서 바람직함을 알 수 있다.
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