[논문]극저온용 스테인레스 강의 저온거동 특성

홍진한; 금동민; 한대석; 박인범; 전민성; 고경완; 이제명

doi:10.3744/snak.2008.45.5.530

극저온용 스테인레스 강의 저온거동 특성
Mechanical Characteristics of Stainless Steel under Low Temperature Environment 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.45 no.5, 2008년, pp.530 - 537

홍진한 (부산대학교 조선해양공학과) , 금동민 (부산대학교 조선해양공학과) , 한대석 (부산대학교 조선해양공학과) , 박인범 (부산대학교 조선해양공학과) , 전민성 ((주) 삼성중공업) , 고경완 ((주) 조광ILI) , 이제명 (부산대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Austenitic stainless steels(SUS 304, SUS 316), which are used for safety control valve of LNG carrier, are occasionally exposed in the cryogenic environment. In this regards, it is required to evaluate the mechanical characteristics under the low temperature environment. In this study, a series of uniaxial tensile test was carried out varying temperature for austenitic stainless steel. The phenomena of the strain-induced plasticity have been observed on the all temperature ranges. The critical value for threshold of 2nd hardening due to the phase transformation induced plasticity as well as the increase of hardening have been reported. The summarized experimental results would be used for the validation of numerical techniques applicable for the nonlinear hardening behavior of austenitic stainless steel under the cryogenic temperature environment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는, 저온환경 하에서 온도 변화에 따른 오스테나이트강의 거동특성을 시리즈 실험을 통하여 분석하고 정리하였다. 기존의 저온강도 우수성에 대하여 기본적인 내용들이 확인되었으며, 비선형 소성거동 즉, 2차 경화 발생과 완료를 정의하는 필수적인 값들이 정량적으로 정리되었다.
본 연구에서는 극저온 영역에서 스테인레스 304, 316 강의 인장특성을 면밀히 분석함으로써 이들 재료의 유한요소해석용 재료 모델을 개발하기 위한 실험적 근거를 확보하고자 하였다. 본 연구의 실험방법은 이전에 이루어졌던 극저온용 구조재료로서의 적합성 판정에 주목한 스테인레스강의 극저온 실험(Kim et al.
본 연구에서는, 오스테나이트 강의 저온 영역 거동특성을 분석하기 위하여 온도별 재료 인장실험을 수행하였다. 실험온도는 해당 재료의 사용조건에 맞추어 설정되었으며, 기존에 보고된 바 있는 저온강도 특성의 확인과 더불어 비선형 소성거동의 가장 큰 특징인 임계변형율 및 강도증가량의 정량적인 크기가 분석되었다.
본 연구의 가장 중요한 목표인, 저온용 스테인레스강의 거동 특징, 즉, 1차 항복이후의 2차 소성경화량 분석을 위하여 각 실험시나리오별 초기 항복응력과 2차 경화가 발생한 후의 최대 인장응력의 비(RH = σT/σY)를 분석한 결과를 그림 10에 나타내었다.

제안 방법

본 연구에서는, 만능시험기(UTM, Universal Test Machine, SHIMADZU, UH-1000KNI)와 극저온 챔버(+100~ -200℃ 온도범위 디지털 제어방식)를 이용하여 극저온 하의 재료 인장시험 환경을 구축하였다. 극저온 챔버는 액체질소를 이용하여 챔버내부에 실험시나리오에 따르는 저온환경을 조성하였으며, 정밀한 데이터 취득을 위하여 극저온용 신율계(Extensometer, Epsilon tech., 3542-050M-100-LT)를 사용하였다.
본 연구에서는, 만능시험기(UTM, Universal Test Machine, SHIMADZU, UH-1000KNI)와 극저온 챔버(+100~ -200℃ 온도범위 디지털 제어방식)를 이용하여 극저온 하의 재료 인장시험 환경을 구축하였다. 극저온 챔버는 액체질소를 이용하여 챔버내부에 실험시나리오에 따르는 저온환경을 조성하였으며, 정밀한 데이터 취득을 위하여 극저온용 신율계(Extensometer, Epsilon tech.
본 연구에서는 극저온 영역에서 스테인레스 304, 316 강의 인장특성을 면밀히 분석함으로써 이들 재료의 유한요소해석용 재료 모델을 개발하기 위한 실험적 근거를 확보하고자 하였다. 본 연구의 실험방법은 이전에 이루어졌던 극저온용 구조재료로서의 적합성 판정에 주목한 스테인레스강의 극저온 실험(Kim et al. 2000)과는 달리 온도 의존적인 스테인레스강의 현상학적 특성을 정량적으로 수식화 할 수 있도록 더 세분화된 온도에서 실험을 수행하였다. 이를 위하여 -50℃(223K), -100℃(173K), -130℃(143K), -160℃(113K)에서 재료인장 시험을 수행하였으며, 이들 결과를 이용하여 유한요소해석에 필요한 탄소성 구성방정식 모델 개발에 필요한 실험적 근거를 확보 하였다.
2000)과는 달리 온도 의존적인 스테인레스강의 현상학적 특성을 정량적으로 수식화 할 수 있도록 더 세분화된 온도에서 실험을 수행하였다. 이를 위하여 -50℃(223K), -100℃(173K), -130℃(143K), -160℃(113K)에서 재료인장 시험을 수행하였으며, 이들 결과를 이용하여 유한요소해석에 필요한 탄소성 구성방정식 모델 개발에 필요한 실험적 근거를 확보 하였다.

이론/모형

3에서는 UTM과 결합된 저온 챔버의 모습을 각각 보이고 있다. 시험편의 치수는 KS B0801 14A에 따라 Fig. 4와 같이 설정하였다. Fig.

성능/효과

• 2차 경화거동 특성 발생 측면에서, 두 재료 모두 항복점 이후 응력이 완만하게 증가하다가 약 10%~20% 이내의 변형률 범위에서 인장응력까지 응력이 현저하게 증가하는 저온 인장 특성을 확인할 수 있다.
온도와 파단변형율 간의 관계는, 실험 중 나사산 파손으로 인해 일부 시험편의 경우 파단변형율의 측정이 어려웠던 이유로 정량적인 비교가 곤란하였다. 다만, 인장응력에서의 변형율과 전체적인 실험결과의 비교 등을 통해 추정한다면, 대체적으로 저온이 될수록 연신율이 감소하는 경향을 확인하였다.
의 크기는 온도에 따라 큰 차이를 보이지는 않지만, 온도가 저하될수록 작아지는 경향을 보이고 있다. 또, 파단변형율 및 인장응력에서의 변형율을 비교하면, SUS 316이 더 높은 연신율을 나타내고 있음을 알 수 있다.
또한 경화거동 특성의 경우, 두 재료 모두 항복점 이후 응력이 완만히 증가하다가 약 10%~20% 이내의 변형율 범위에서 인장응력까지 응력이 다시 크게 증가하는 2차 경화를 보이고 있다.
본 실험 결과들은 기존 실험결과에서 사용하였던 온도범위를 포함한 광범위한 온도범위에서 볼 때 실험결과의 타당성을 확인할 수 있는 경향을 보여주고 있다. 또한, 기존에 보고된 바 있는 인장응력 및 항복응력이 저온으로 갈수록 증가하는 경향성을 확인할 수 있었다. 따라서 두 강재 모두 저온영역에서의 강도향상을 확보한 재료임을 확인할 수 있다.
먼저, 온도별 항복응력의 경우 Fig. 6, Fig. 7에선 나타나는 바와 같이 두 강재가 비슷한 항복응력을 나타내지만, 최대 인장응력은 SUS 304가 SUS 316 보다 높은 값을 가진다, 이 결과로 저온에서 SUS 304는 SUS 316보다 더 강한 온도의존 경향을 나타낸다는 것을 알 수 있다. 즉, 동일한 수준의 저온 영역에 대한 결과로부터 볼 때, SUS 304의 인장응력 증가량이 더 큰 것을 확인하였다.
8 및 9에 본 연구의 실험결과와 기존의 실험 결과들을 비교하여 나타낸다. 본 실험 결과들은 기존 실험결과에서 사용하였던 온도범위를 포함한 광범위한 온도범위에서 볼 때 실험결과의 타당성을 확인할 수 있는 경향을 보여주고 있다. 또한, 기존에 보고된 바 있는 인장응력 및 항복응력이 저온으로 갈수록 증가하는 경향성을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는, 오스테나이트 강의 저온 영역 거동특성을 분석하기 위하여 온도별 재료 인장실험을 수행하였다. 실험온도는 해당 재료의 사용조건에 맞추어 설정되었으며, 기존에 보고된 바 있는 저온강도 특성의 확인과 더불어 비선형 소성거동의 가장 큰 특징인 임계변형율 및 강도증가량의 정량적인 크기가 분석되었다. 본 연구를 통해 얻어진 저온 거동 특성을 아래에 정리한다.
이 결과로부터, 저온에서의 SUS 304, SUS 316의 강도적 우수성은 초기항복응력 대비 수준으로 볼 때 온도에 따라 상당한 차이를 가지고 있는 것으로 분석된다.
7에선 나타나는 바와 같이 두 강재가 비슷한 항복응력을 나타내지만, 최대 인장응력은 SUS 304가 SUS 316 보다 높은 값을 가진다, 이 결과로 저온에서 SUS 304는 SUS 316보다 더 강한 온도의존 경향을 나타낸다는 것을 알 수 있다. 즉, 동일한 수준의 저온 영역에 대한 결과로부터 볼 때, SUS 304의 인장응력 증가량이 더 큰 것을 확인하였다.

후속연구

기존의 저온강도 우수성에 대하여 기본적인 내용들이 확인되었으며, 비선형 소성거동 즉, 2차 경화 발생과 완료를 정의하는 필수적인 값들이 정량적으로 정리되었다. 본 연구의 결과들은 광범위한 활용도를 지닌 저온용 재료에 대해서, 해석모델 개발에 필수적으로 요구되는 구성방정식 개발 및 온도별 재료모델 개발 분야에서 실험적 근거로서 유용하게 활용될 수 있으리라 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	300계열 오스테나이계 스테인레스강의 장점은?	기존의 연구결과에 따르면 300계열 오스테나이계 스테인레스강은 극저온에서도 저온취성 현상이 발생하지 않고, 저온에서도 우수한 재료물성치를 가진다고 알려져 있다(Kim et al. 2000). 이들 재료는 저온에서의 마르텐사이트 변태에 의하여 내부 균열성장이 저지되는 특성이 있어 피로관점에서도 문제가 없음이 알려져 있다(Lee et al. 1999). 이러한 재료특성에 기인하여 오스테나이트계 스테인레스 강은 저온용 용기의 구조재료로 이미 널리 활용되고 있다.
	국내 LNG 운반선 건조 분야 기술종속을 벗어나 원천기술을 독자적으로 보유하기 위해 필요한 것은?	이것은 로열티로 연결이 되며, 지금도 국내 조선소는 상당액의 로열티를 지급하면서 LNG 운반선을 건조하고 있다. 이러한 기술종속을 벗어나 원천기술을 독자적으로 보유하기 위해서는 이를 대체할 수 있는 방열시스템의 개발이 필요하며, 국내에서도 다수의 연구자들에 의해 LNG 방열시스템에 대한 연구(Nam et al. 1993, Noh, 2005, Lee et al.
	본 연구에서는 오스테나이트 강의 저온 영역 거동특성을 분석하기 위하여 온도별 재료 인장실험을 수행하였는데 이를 통해 얻어진 저온 거동 특성은?	• SUS 304보다 SUS 316이 보다 더 강한 온도 의존 경향을 보인다. 즉, 온도가 낮을수록 SUS 316 인장응력의 증가량이 크다. • 온도별 항복응력의 경우, SUS 304는 SUS 316과 비슷한 범위를 보이지만, 최대 인장응력은 SUS 304가 SUS 316 보다 높은 값을 가진다. • 두 재료 모두 전반적으로 저온이 될수록 연신율이 감소하는 경향이 확인되었다. • 2차 경화거동 특성 발생 측면에서, 두 재료 모두 항복점 이후 응력이 완만하게 증가하다가 약 10%~20% 이내의 변형률 범위에서 인장응력까지 응력이 현저하게 증가하는 저온 인장 특성을 확인할 수 있다. • 두 재료 모두 2차 경화가 시작되는 뚜렷한 임계변형률(threshold strain, εcr)을 지니고 있으며, 그 크기는 저온으로 갈수록 작아지는 경향이 있다 • 2차 경화거동 완료 측면에서, 두 재료 모두 온도가 낮아질수록 초기 항복응력 대비 최대 인장 응력의 크기는 증가한다.

참고문헌 (9)

Cedric Garion, Blazej Skoczen, Stefano Sgobba, 2006, "Constitutive Modelling and Identification of Parameters of the Plastic Strain-induced Martensitic Transformation in 316 Lstainless Steel at Cryogenic Temperatures," International Journal of Plasticity, Vol. 22, pp. 1234？1264

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Cho, C.C., Kang, S.B. and Jun, E.J., 1982 "The Effect of Nitrogen on the Low Temperature Mechanical Properties of Ni-free Austenitic Stainless Steel," Journal of the Korean Institute of Metals, Vol. 20, No. 10, pp. 927-935
Kim, J.K., Kim, C.S., Cho D.H., Kim, D.S. and Yoon, I.S., 2000, "Low Temperature Effects on the Strength and Fracture Toughness of Membrane Material for LNG Storage Tank," Journal of Mechanical Science and Technology, A Vol. 24, No. 3, pp. 710-717
Nam, Y.Y., Nho, I.S., and Lee H.S., 1993, "Structural Safety Assessment of Independent Spherical LNG Tank (3rd report)," Transactions of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 30, No. 4, pp. 83-92
Lee, J.H., Choi, W.C, Kim, M.H., Kim, W.S., Noh, B.J., Choe, I.H., and Lee, J.M., 2007, "Experimental Assessment of Dynamic Strenth of Membrane Type LNG Carrier Insulation System," Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 44, No. 3, pp. 296-304

원문보기 상세보기
Lee, H.W., Shin, Y.T., Park, J.U., Lee, J.W. and Kang, C.Y., 1999, "A Study on Low Temperature Strength and Fatigue Strength of Austenitic Stainless Steel for Membrane Type LNG Tank," Journal of KWS., Vol. 17, No. 3, pp. 198-202
Lee, H.M., Nahm, S.H., Huh, Y.H., Lee J.J. and Bahng, G.W., 1990, "Construction of Cryogenic Testing System and Tensile Deformation Behavior of AISI 300 Series S tainless Steels at Cryogenic Temperatures," Journal of the Korean Inst. of Metals Vol. 28, No. 11, pp. 970-976
Noh, B.J., 2005, "Sloshing Load Analysis in Spherical Tank of LNG Carrier," Special Issue of the Society of Naval Architect of Korea, pp. 22-30
Tobler, R.L., Nishimura A. and Yamamoto, J. 1997, "Design-relevant Mechanical Properties of 316-type Steels for Superconducting Magnets," Cryogenics, Vol. 37, pp. 533-550

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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