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문제 정의
- 본 연구는 추진기관 엔진연소실 소재의 고온 특성에 대한 Parameter 도출 및 database 구축을 위하여 수행된 연구결과이다. 고온용 구조 소재로 널리 활용되고 있는 AISI 304강에 대하여 21 ℃, 100 ℃, 200 ℃, 350 ℃, 500 ℃, 650 ℃ 및 800 ℃에서 인장시험을 수행하여 항복강도 (yield strength, Fty), 인장강도(ultimate strength, Ftu), 탄성계수(modulus of elasticity, E) 및 연신률(elongation, %)을 구하였다.
제안 방법
- 각 온도별로 시험한 시험편의 화학조성 변화를 보기 위하여 EDX 분석을 수행하였다. 매 시험편 마다 3개의 부위에 대하여 관찰하였다.
- 정규확률지를 이용하여 인장강도와 항복강도의 모평균 추정값 및 모표준편차 추정값을 구하였으며, A Basis와 B Basis 인장강도와 항복강도를 구하였다. 같은 방법으로 탄성계수와 연신률의 모평균 추정값과 모표준편차 추정값을 구하였다.
- 고온 인장실험은 고온노에서 시험편을 가열한 후 시험편 표면이 조건온도에 도달했을 때부터 30분 동안 온도를 유지한 후 하중을 가하였다. 가열속도와 변위속도는 각각 1.
- 본 연구는 추진기관 엔진연소실 소재의 고온 특성에 대한 Parameter 도출 및 database 구축을 위하여 수행된 연구결과이다. 고온용 구조 소재로 널리 활용되고 있는 AISI 304강에 대하여 21 ℃, 100 ℃, 200 ℃, 350 ℃, 500 ℃, 650 ℃ 및 800 ℃에서 인장시험을 수행하여 항복강도 (yield strength, Fty), 인장강도(ultimate strength, Ftu), 탄성계수(modulus of elasticity, E) 및 연신률(elongation, %)을 구하였다. 정규확률지(Normal Probability Paper)를 이용하여 온도별 재료의 인장응력에 대한 A Basis와 B Basis 강도를 구하였으며, 온도와 인장강도 및 항복강도 간 상관분석으로 정규분포를 따르는지 여부를 살펴보았다.
- 정규확률지(Normal Probability Paper)를 이용하여 온도별 재료의 인장응력에 대한 A Basis와 B Basis 강도를 구하였으며, 온도와 인장강도 및 항복강도 간 상관분석으로 정규분포를 따르는지 여부를 살펴보았다. 또한, AISI 304강의 응력과 소성변형률 관계를 보기 위하여 Ramberg-Osgood 파라미터(n)를 실험결과로부터 산출하였다.
- 본 연구에서 AISI 304강에 대하여 21 ℃, 100℃, 200℃, 350 ℃, 500 ℃, 650 ℃ 및 800 ℃의 온도조건에서 인장실험을 ASTM에 규정된 방법으로 수행하였다. 실험결과 각 온도조건에서의 인장강도, 항복강도, 탄성계수, 연신률에 대한 기계적 특성을 분석하였다.
- 시험편의 중앙과 중앙에서 양쪽으로 10 mm 떨어진 위치에 열전대를 부착하였다. 시험편의 온도는 Microprocessor Thermometer(Omega, 모델 : HH21)를 이용하여 측정하였으며, 시험편 접촉방식의 632.53F-11 고온 익스텐소미터를 이용하여 고온변형률을 구하였다. 익스텐소미터의 gage length는 25 mm로 하였다.
- 시험편의 파단면에 대한 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지로부터 온도상승에 따른 조직변화를 관찰하였고, EDX(Energy Dispersive X-ray micro-analysis)를 통하여 각 시험편의 화학적 조성변화를 분석하였다.
- 시험편의 파단면을 관찰하기 위하여 TOPCON사의 SM500 SEM 장비를 이용하여 SEM 이미지를 촬영하였다. Figure 14는 각 온도조건 별 인장시험 후 파단면을 500배로 촬영한 SEM 이미지이다.
- 본 연구에서 AISI 304강에 대하여 21 ℃, 100℃, 200℃, 350 ℃, 500 ℃, 650 ℃ 및 800 ℃의 온도조건에서 인장실험을 ASTM에 규정된 방법으로 수행하였다. 실험결과 각 온도조건에서의 인장강도, 항복강도, 탄성계수, 연신률에 대한 기계적 특성을 분석하였다. 정규확률지에 인장강도와 항복강도를 플로팅하고 상관계수를 구한 결과 정규분포를 따름을 확인할 수 있었다.
- 온도측정은 최대 측정가능 온도가 1,550 ℃인 K 타입 열전대(thermocouple type K)를 시험편에 부착하여 측정하였다. 열전대는 끝단을 T/C welder(대현테크, 모델 : DH-TC100)로 용접한 후 Strain Gage welder(EATON, 모델 : W1200)를 사용하여 시험편에 부착하였다.
- 응력-변형률 선도로부터 최대 응력값으로 인장 강도(Ftu)를 구하였으며, 변형률을 0.2% 옵셋하여 항복강도(Fty)를 구하였다. 탄성계수(E)는 응력-변형률 선도에서 선형구간의 기울기를 의미하며, 연신률(Elongation)은 파단전과 후 표점거리의 변화량(∆L/L)으로 계산하였다.
- 고온용 구조 소재로 널리 활용되고 있는 AISI 304강에 대하여 21 ℃, 100 ℃, 200 ℃, 350 ℃, 500 ℃, 650 ℃ 및 800 ℃에서 인장시험을 수행하여 항복강도 (yield strength, Fty), 인장강도(ultimate strength, Ftu), 탄성계수(modulus of elasticity, E) 및 연신률(elongation, %)을 구하였다. 정규확률지(Normal Probability Paper)를 이용하여 온도별 재료의 인장응력에 대한 A Basis와 B Basis 강도를 구하였으며, 온도와 인장강도 및 항복강도 간 상관분석으로 정규분포를 따르는지 여부를 살펴보았다. 또한, AISI 304강의 응력과 소성변형률 관계를 보기 위하여 Ramberg-Osgood 파라미터(n)를 실험결과로부터 산출하였다.
- 정규확률지에 인장강도와 항복강도를 플로팅하고 상관계수를 구한 결과 정규분포를 따름을 확인할 수 있었다. 정규확률지를 이용하여 인장강도와 항복강도의 모평균 추정값 및 모표준편차 추정값을 구하였으며, A Basis와 B Basis 인장강도와 항복강도를 구하였다. 같은 방법으로 탄성계수와 연신률의 모평균 추정값과 모표준편차 추정값을 구하였다.
- 탄성한계와 0.2% 항복강도 사이의 응력과 소성변형률과의 관계를 나타내는 Ramberg-Osgood 파라미터를 구하였으며, 인장시험 후에 시험편의 파단면은 SEM을 이용하여 관찰하였고, EDX을 통하여 파단면의 화학 조성 변화를 검토하였다. AISI 304강의 상온/고온 인장특성에 관한 연구로 부터 얻은 결과는 다음과 같다.
- 익스텐소미터의 gage length는 25 mm로 하였다. 하중, 변형률 및 온도조건은 MTS 사의 TestStarⅡs controller 로 조절하였다.
대상 데이터
- AISI 304강의 인장실험은 ASTM E8 및 E21에 규정된 방법으로 수행하였다[1, 2]. 21 ℃, 100℃, 200 ℃, 350 ℃, 500 ℃, 650 ℃ 및 800 ℃의 온도에서 인장시험을 수행하였으며, 시험편은 각 온도별 10개씩 총 70개가 사용되었다.
- 저탄소강인 AISI 304강(AISI type 304)은 오스테나이트(austenite)계 스테인레스강이며, 기본 조성은 18Cr-8Ni이다. 내식성, 내열성 및 저온강도가 우수하며, 특히 용접성이 매우 양호하여 용접에 의해 경화되지 않아 예열과 후열이 필요없다.
이론/모형
- AISI 304강의 인장실험은 ASTM E8 및 E21에 규정된 방법으로 수행하였다[1, 2]. 21 ℃, 100℃, 200 ℃, 350 ℃, 500 ℃, 650 ℃ 및 800 ℃의 온도에서 인장시험을 수행하였으며, 시험편은 각 온도별 10개씩 총 70개가 사용되었다.
성능/효과
- 1) 인장강도, 항복강도와 탄성계수는 온도가 증가함에 따라서 감소한다.
- 2) 연신률은 650 ℃ 이하에서 온도가 증가함에 따라 감소하지만 650∼800 ℃의 온도에서는 증가한다.
- 3) Ramberg-Osgood 파라미터는 500 ℃까지 증가하며 500 ℃ 이상의 온도에서 감소한다.
- 4) 파단면의 SEM 이미지 분석결과 온도가 상승할수록 dimple의 크기가 커진다.
- 5) 파단면의 EDX 분석결과 각 시험온도 변화에 따른 화학조성의 변화는 거의 없으며. 특히 크롬(Cr)의 경우 18～22wt%의 범위로 비교적 안정된 화학적 성분을 보인다.
- 매 시험편 마다 3개의 부위에 대하여 관찰하였다. EDX 분석결과 각 시험온도별 AISI 304강의 화학 조성은 변화가 거의 없었으며, 특히 Cr의 경우 18～22wt% 범위로 비교적 안정된 화학적 성분을 보임을 알 수 있었다.
- 실험결과 각 온도조건에서의 인장강도, 항복강도, 탄성계수, 연신률에 대한 기계적 특성을 분석하였다. 정규확률지에 인장강도와 항복강도를 플로팅하고 상관계수를 구한 결과 정규분포를 따름을 확인할 수 있었다. 정규확률지를 이용하여 인장강도와 항복강도의 모평균 추정값 및 모표준편차 추정값을 구하였으며, A Basis와 B Basis 인장강도와 항복강도를 구하였다.
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