[논문]STS304강의 단시간 크리프 파단특성 평가

김선진; 공유식

문제 정의

상기와 같은 초기연신율의 현상론적, 물리적 성질의 고찰은 초기연신율 법에 의한 수명예측의 가능성을 시사할 수 있으므로 이에 대한 고찰이 더욱 필요하다고 생각되나, 본보에서는 현상론적 인 크리프 파단 특성치와 파단수명과의 상관을 고찰하는 것에 국한한 것이므로 생략한다.
이어서 본 연구에서는 크리프 파단 데이터의 확률 . 통계적 모델링과 확률론적 크리프 수명 예측법 개발 연구의 일환으로서, 오스테나이트계 스테인리스강(SIS304)을 이용한 단시간 크리프 파단시험을 통하여 1차적으로 크리프의 현상론적 거동에 근거하여 각종 크리프 파단 특성치와 파단수명과의 상관관계를 고찰하고자 하였다.

가설 설정

실용적인 관점에서 크리프 수명의 평가에 Larson-MUler parameter(Larson and Miller, 1952) 법이 많이 사용되고 있다. 이 방법은 정상 상태의 크리프 속도에 기초하고 있지만, 전 크리프 과정 동안 일정 변형률 속도라 가정한다. 본 연구에서는 Fig.

제안 방법

5℃, 노 전체 3구간(Top, Middle, Bottom zone)의 온도 구배는 2℃정도이다. SIS304 강이 주로 사용되는 사용 환경을 고려하여 시험 온도의 결정을 600℃, 650℃, 700℃로 하였다.
제한적인 조건으로 수행하였다. 각 온도에서 두 응력 레벨에서는 각각 5개의 시험편에 대하여 수행하였으며, 또한 각 온도에서 한 응력 레벨에서는 하나의 시험편에 대하여 수행되었다. 총 33개의 시험편에 대하여 단시간 크리프 파단 시험을 수행하여 파단 특성치와 파단수명과의 상관관계를 고찰하였다.
그리고 부하전에 노내의 온도분포가 균일하게 유지되도록 하기 위하여 설정온도에서 30분간 지속시킨 후 하중을적용시켰으며, 실험 중 온도를 일정 온도에서 ±1℃범위 이내로 유지하였다. 또한 시험 중 발생하는 변형률 측정은 표점거리 30mm 되는 양쪽지점의 턱 부위에 양단의 플랜지를 기준으로 LVDT(Linear variable displacement transformer)로 즉정한 후 실시간적으로 컴퓨터에 저장하여 고온 크리프 변형거동을 관찰하였다.
또한, 고온 크리프 시험에 사용된 시험편은 ASTM E139의 규정에 따라 시험편 평행부의 직경은 13mm의 환봉으로부터 6mm로 가공하였으며, 표면은 사포400번에서 1200번까지 연마한 후 다시 0.3에서 0.05呻의 산화분말을 사용하여 표면을 경면 연마하여 표면 거칠기가 시험결과에 미치는 영향을 최소화 하도록 하였다. 파단된 시험편의 파단부를 약 5mm의 크기로 절단하여 아세톤 용액에서 1시간 동안 초음파 세척 후 SEM에 의하여 파단면을 관찰하였다.
온도측정은 K형 열전대를 사용하였고, 시험편의 가열공정은 시험편에 부하를 주지 않은 무부하 상태에서 설정온도까지 약 10℃ /min로 가열하였다. 그리고 부하전에 노내의 온도분포가 균일하게 유지되도록 하기 위하여 설정온도에서 30분간 지속시킨 후 하중을적용시켰으며, 실험 중 온도를 일정 온도에서 ±1℃범위 이내로 유지하였다.
이어서 본 연구에서는 크리프 파단 데이터의 확률 . 통계적 모델링과 확률론적 크리프 수명 예측법 개발 연구의 일환으로서, 오스테나이트계 스테인리스강(SIS304)을 이용한 단시간 크리프 파단시험을 통하여 1차적으로 크리프의 현상론적 거동에 근거하여 각종 크리프 파단 특성치와 파단수명과의 상관관계를 고찰하고자 하였다.
각 온도에서 두 응력 레벨에서는 각각 5개의 시험편에 대하여 수행하였으며, 또한 각 온도에서 한 응력 레벨에서는 하나의 시험편에 대하여 수행되었다. 총 33개의 시험편에 대하여 단시간 크리프 파단 시험을 수행하여 파단 특성치와 파단수명과의 상관관계를 고찰하였다.
05呻의 산화분말을 사용하여 표면을 경면 연마하여 표면 거칠기가 시험결과에 미치는 영향을 최소화 하도록 하였다. 파단된 시험편의 파단부를 약 5mm의 크기로 절단하여 아세톤 용액에서 1시간 동안 초음파 세척 후 SEM에 의하여 파단면을 관찰하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 시험편 재료는 550笆이상의 보일러 과열기관, 재열기관, 증기기관, 증기터빈의 케이싱, 밸브본체, 로터, 터빈 블레이드 등에 사용되는 1&8계 오스테나이트계 스테인리스강인 STS304 이며, 화학 성분과 기계적 성질을 Table 1과 Table 2에 각각 나타내었고, 이는 실험적으로 얻은 결과이다.
정적(Static) 및 동적(Cyclic) 고온 크리프 시험이 가능한 크리프시험 장치는 미국 SATEC사倒odel: DLF-10-1029)의 시험기를 사용하였다. 하중과 변형의 서보제어가 가능한 전기, 기계장치의 크리프 시험기이며, 고온 크리프, 응력/완화시험, 인장 및 압축시험이 가능하다.

이론/모형

이 방법은 정상 상태의 크리프 속도에 기초하고 있지만, 전 크리프 과정 동안 일정 변형률 속도라 가정한다. 본 연구에서는 Fig. 2에서와 같이 제2기 정상상태 크리프 속도가 거의 일정한 값을 가지고 있으며, 이를 MonkamanGant(Monkaman and Grant, 1956) 식에 적용하여 보았다.

성능/효과

(1) 크리프 수명은 응력과 온도가 상승 할수록 감소하며, 특히 700℃에서는 수명이 급격히 감소함을 알 수 있었다.
(2) 정상 크리프 속도와 총 크리프 속도 등의 크리프 특성이 크리프 응력과 파단시간과의 정량적 상관관계가 성립함을 알 수 있었다. (3) 본 실험의 범위 내에서 Monkman-Grant 관계식으로부터의 수명예측이 가능함을 시사하며, 본 실험에서 구한 재료 상수 p와 C 는 각각 0.
있었다. (3) 본 실험의 범위 내에서 Monkman-Grant 관계식으로부터의 수명예측이 가능함을 시사하며, 본 실험에서 구한 재료 상수 p와 C 는 각각 0.6803, 0.9869의 값을 얻었다.
(4) 각 온도별 조건에서 파단부는 전형적인 연성파괴를 나타내는 딤플(Dimple) 현상이 나타났으며, 온도가 증가함에 따라 입내에서입계파괴로의 천이가 일어남을 관찰할 수 있었다.
이는 활성화 에너지로 인한 고온에서의 열거동이 커져, 확산이 활발해 지는데 기인하며, 온도가 크리프 파단 특성치에 큰 영향을 미친다고 할 수 있다. 또한 각 온도에서 응력의 차이가 소폭임에도 불구하고, 동일 온도와 동일 응력에서도 크리프 곡선에는 차이가 나타났다. 즉, 파단수명 등과 같은 크리프 특성치에는 상당한 산포가 존재함을 알 수 있다.
5는 크리프 응력과 연신율과의 상관성을 나타내는 실험 결과로서, 크리프 연신율은 응력이 증가할수록 선형적으로 증가하며, 특히 73℃에서 증가율이 다소 커짐을 알 수 있다. 이상과 같이 본 실험 범위에서도 크리프 응력과 총 크리프 연신율 사이에도 상관이 존재함이 확인되었다.
이상의 각 온도에서 얻어진 b —4 의 관계식은 일정 온도에서 Norton(1929)의 제안식과 잘 일치함을 알 수 있으며, 응력에 대한 e , e'r의 기울기는 온도가 증가함에 따라 증가함을 알 수 있다. 그 기울기는 700℃에서 2배 정도 더 큼을 알 수 있다.
4절에서 논한 바와 같이, 응력-정상상태 크리프 속도, 응력-파단시간과의 사이에는 실험적 상관이 존재함을 알 수 있다. 즉, 이들 관계식으로부터 파 단시간과 정상 상태의 크리프 속도 사이에는 실험적 상관관계가 존재하여, Monkman-Grant 관계식에 의해서도 수명 예측이 가능함을 보여준다. 본 실험의 범위에 대한 작용 응력과 온도에 무관한 다음과 같은 Monkman-Grant 식으로 나타낼 수 있다.
6은 600, 650, 700℃에서의 크리프 응력(b, MPa)과 크리프 파단시간(以과의 상관성을 나타내는 실험결과로서, 크리프 설계 곡선(Gewp design curve)이다. 크리프 응력과 파 단시간의 상관성을 조사한 결과, 크리프 수명은 응력이 증가하면 감소하는 결과를 얻었으며, 또한 온도가 상승하면 그 감소율은 더욱 증가함을 알 수 있었다. 크리프 속도와 파단시간과의 상관은 각 온도에서 아래와 같은 상관관계식으로 모델화 되었다.
이와 같은 관점에서 저자 등(김선진 등, 2啲)은 먼저 STS304강의 고온 인장 시험을 통하여 인장강도, 연신율, 단면수축률 등의 확률분포 특성을 검토하여 이들의 분포가 3-parameter Weibull 분포에 잘 따르고 있음을 확인하였으며, 연신율이나 단면수축률의 변동계수가 인장강도의 변동계수보다도 크다는 사실을 알았다. 한편, 고온 인장강도 분포의 형상 파라미터는 온도의 증가와 더불어 증가하는 온도 의존성이 확인되었다.

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