[논문]23Cr26Ni 내열강의 피로 특성

이희웅; 권숙인

doi:10.12656/jksht.2011.24.2.092

23Cr26Ni 내열강의 피로 특성
Fatigue Behavior of 23Cr26Ni Heat Resistant Steel 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.24 no.2, 2011년, pp.92 - 98

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The influence of the cooling condition after solution treatment on the high temperature fatigue resistance of 23Cr-26Ni heat resistant steel was investigated. Two different cooling conditions were applied to the steel after solution treatment at $1200^{\circ}C$ for 3 hours. One specimen was water quenched immediately after the solution treatment. The other one was furnace cooled at a rate of $0.5^{\circ}C/min$ down to $750^{\circ}C$ after the solution treatment. Then, both specimens were aged at $750^{\circ}C$ for 5 hours. Under two different heat treatment conditions, the low cycle fatigue (LCF) test was performed at $600^{\circ}C$ and room temperature (RT). Only cyclic hardening continued from the beginning until fracture at all strain amplitudes during LCF at $600^{\circ}C$. This phenomenon was attributed to the increase in the dislocation density due to cyclic deformation, which resulted in the interaction between the newly created dislocations and precipitates. Cyclic hardening followed by saturation and cyclic softening was observed at RT. Cyclic softening was attributed to the dislocation annihilation rate exceeding the dislocation generation rate. Other probable factor for cyclic softening was some cavities formed around grain boundaries after 20 cycles. WQ and FC have a similar LCF behavior at RT and $600^{\circ}C$ as shown in the cyclic stress response curves.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

발전소의 가동과 정지 상태를 거치면서 재료가 겪는 반복적인 온도 변화에 의한 열 피로 특성연구는 발전소용 내열재료들을 위해 반드시 수행되어야한다. 따라서 본 연구는 두 가지 조건의 열처리방법을 통하여 석출강화형 합금인 23Cr26Ni 내열강의 피로 성질을 비교 규명하고 미세조직과의 연관성을 조사하였다.

제안 방법

600℃에서의 변형률 진폭은 ±0.4, ±0.6, ±0.9%이었고, 상온에서의 변형률 진폭은 ±0.3, ±0.4, ±0.6, ±0.9, ± 1.2, ±1.5%로 600℃와 상온 모두 3x10-3s-1 일정한 변형률 속도에서 실험을 하였다.
Fig. 2는 저주기 피로실험 전과 파괴이후의 시편을 잔사추출을 통하여 석출물만을 XRD로 분석하였다. 실험 전과 파괴이후의 FC와 WQ는 모두 같은 석출물이 존재하였고 그 석출물은 MX, M₂₃C₆, Z phase, Cr₂N이다.
본 연구에서 사용된 23Cr26Ni 내열강은 진공유도용해로에서 제작하였고 화학조성은 Table 1과 같다. 그 이후 1200℃에서 열간단조와 열간압연을 행한 후 2가지 열처리를 행하였다. 첫 번째 열처리 조건은 1200℃에서 3시간 용체화 처리 후 furnace에서750℃까지 분당 0.
두 가지 열처리 조건으로 23Cr26Ni 내열강의 600℃와 상온에서의 피로 거동을 살펴 본 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
미세조직 관찰은 광학현미경, 주사전자현미경, 투과전자현미경을 사용하였다. 또한 XRD를 이용하여 석출물을 분석하였다.
이러한 결과는 20 cycle까지의 전위의 증식속도보다 그 이후의 전위 소멸속도가 더 크기 때문으로 판단된다. 또한 cavity를 관찰하기 위해 20 cycle 이후에 주사전자현미경의 후방산란 전자를 이용하여 미세조직을 관찰하여 보았다. Fig.
5%로 600℃와 상온 모두 3x10^-3s^-1 일정한 변형률 속도에서 실험을 하였다. 또한 상온에서 피로균열 전파 실험을 실시하였고 15Hz의 주파수로 반복하중을 가하였고 응력비 R=0.05로 진행하였다. 미세조직 관찰은 광학현미경, 주사전자현미경, 투과전자현미경을 사용하였다.
05로 진행하였다. 미세조직 관찰은 광학현미경, 주사전자현미경, 투과전자현미경을 사용하였다. 또한 XRD를 이용하여 석출물을 분석하였다.
이러한 현상을 해석하기 위하여 투과전자현미경을 이용하여 미세조직의 변화를 관찰하여 보았다. Fig.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 23Cr26Ni 내열강은 진공유도용해로에서 제작하였고 화학조성은 Table 1과 같다. 그 이후 1200℃에서 열간단조와 열간압연을 행한 후 2가지 열처리를 행하였다.
2는 저주기 피로실험 전과 파괴이후의 시편을 잔사추출을 통하여 석출물만을 XRD로 분석하였다. 실험 전과 파괴이후의 FC와 WQ는 모두 같은 석출물이 존재하였고 그 석출물은 MX, M₂₃C₆, Z phase, Cr₂N이다. 또한, FC가 로냉중에 석출물을 더 많이 생성해서 석출물이 더 많이 존재하였다.

이론/모형

5℃씩 냉각 후 5시간 유지한 후 수냉한 조건(FC)이고 두 번째 열처리 조건은 1200℃에서 3시간 용체화 처리 후 수냉한 다음 750℃에서 5시간 유지한 후 수냉한 조건(WQ)이다. 저주기 피로시험(low cycle fatigue)은 ASTM E606-92[4] 규격을 준수하여 실험하였고, 컴퓨터로 컨트롤하는 servo hydraulic testing machine을 사용 하였다. 저주기 피로 시험은 일정변형률 진폭 하에 600℃와 상온에서 실시하였다.

성능/효과

1. FC와 WQ는 600℃에서는 모든 변형률 진폭에서 피로 사이클 수가 증가함에 따라 파괴 때까지 반복경화가 나타났고, 상온에서는 초기에 saturation과 반복경화가 나타났고 그 이후 파괴 때까지 반복연화가 나타났다.
2. FC와 WQ 모두 석출물이 존재하였고, 그 석출물은 MX, M₂₃C₆, Z phase, Cr₂N이었다.
3. FC와 WQ 모두 600℃에서는 주어진 소성변형진폭 하에서 피로수명이 비슷하였고, 상온 에서는 피로수명이 차이를 보였다.
4. FC와 WQ는 모든 조건의 실험에서 입계파괴가 일어났다.
5. 상온에서의 균열전파 실험 결과 FC가 WQ보다 피로균열성장 속도가 빠르다.
600℃와 상온 모두에서 변형률 진폭이 증가함에 따라 피로파괴 cycle은 감소하였다.
이는 두 가지 열처리과정에서 결정립계에 M₂₃C₆가 석출되어 결정립계 주위에 Cr 고갈 구역이 형성되므로 결정립계 부근이 취약하게 되어 결정립계 주변이 균열발생 장소로 작용하게 되어 입계를 따른 파괴가 일어났다고 판단된다. 또한 600℃와 상온 모두에서 FC에서는 dimple이 약간 존재하였으나 WQ에서는 존재하지 않는 것으로 미루어 FC가 WQ보다 연성이 좋다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에너지 및 환경문제에 대응하기 위해서 어떤 것이 필요한가?	최근 화석에너지 자원이 고갈되면서 에너지 변환효율이 높고 친환경적인 새로운 전력시스템에 대한 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다[1]. 에너지 및 환경문제에 대응하기 위하여 연소효율을 높임으로써 에너지 효율을 향상시키고, 화석연료의 연소로 인해 발생하는 공해물질이나 탄소 배출을 저감하기 위해서는 지금까지보다 더 고온에서 작용하는 극초임계 석탄 화력발전소 건설과 소재 개발이 필요하다[2]. 23Cr-26Ni 내열강은 화력발전소에서 tube로 사용되며 현재 superheater 와 reheater에 사용된다[3].
	23Cr-26Ni 내열강은 어디에 사용되는가?	에너지 및 환경문제에 대응하기 위하여 연소효율을 높임으로써 에너지 효율을 향상시키고, 화석연료의 연소로 인해 발생하는 공해물질이나 탄소 배출을 저감하기 위해서는 지금까지보다 더 고온에서 작용하는 극초임계 석탄 화력발전소 건설과 소재 개발이 필요하다[2]. 23Cr-26Ni 내열강은 화력발전소에서 tube로 사용되며 현재 superheater 와 reheater에 사용된다[3]. 발전소의 가동과 정지 상태를 거치면서 재료가 겪는 반복적인 온도 변화에 의한 열 피로 특성연구는 발전소용 내열재료들을 위해 반드시 수행되어야한다.
	두 가지 열처리 조건으로 23Cr26Ni 내열강의 600℃와 상온에서의 피로 거동을 살펴 본 결과는?	1. FC와 WQ는 600℃에서는 모든 변형률 진폭에서 피로 사이클 수가 증가함에 따라 파괴 때까지 반복경화가 나타났고, 상온에서는 초기에 saturation과 반복경화가 나타났고 그 이후 파괴 때까지 반복연화가 나타났다. 2. FC와 WQ 모두 석출물이 존재하였고, 그 석출물은 MX, M23C6, Z phase, Cr2N이었다. 3. FC와 WQ 모두 600℃에서는 주어진 소성변형진폭 하에서 피로수명이 비슷하였고, 상온 에서는 피로수명이 차이를 보였다. 4. FC와 WQ는 모든 조건의 실험에서 입계파괴가일어났다. 5. 상온에서의 균열전파 실험 결과 FC가 WQ보다피로균열성장 속도가 빠르다.

참고문헌 (7)

K. Sawada, K. Kubo and F. Abe : Mater. Sci. Eng. A, 319 (2001) 784.
F. Abe, M. Taneike and K. Sawada : Int. J. Pres. Ves. Pip. 84 (2007) 3.

상세보기
N. Lintzn and U. Forsberg : Sandvik Materials Technology SE-811 81 Sandviken, Sweden.
ASTM E606-92. Standard Practice for Strain- Controlled Fatigue Testing, Annualbook of ASTM standards. ASTM (1998).
T. Sourmail : Mater. Sci. Technol. 17 (2001) 1.

상세보기
V. S. Srinvasan, R. Sandhya, K. Bhanu, S. Rao, S. L. Mannan and K. S. Raghavan : Int. J. Fatigue 13 (1991) 471.

상세보기
D. Ye and S. Matsuoka : Mater. Sci. Eng. A, 415 (2006) 104.

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