[논문]초저온 액화질소 저장탱크 오스트나이트계 스테인리스강의 용접부의 파괴인성 연구

김영득; 최동준; 박형욱; 조종래; 배원병

doi:10.5916/jkosme.2011.35.6.802

초저온 액화질소 저장탱크 오스트나이트계 스테인리스강의 용접부의 파괴인성 연구
A Study on the Weld Part Fracture Toughness of Austenite Type Stainless Steel for Cryogenic Liquid Nitrogen Storage Tank 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.35 no.6, 2011년, pp.802 - 808

김영득 (두산중공업(주) 기술연구원) , 최동준 (부영CST(주)) , 박형욱 (한국해양대학교 대학원 기계공학과) , 조종래 (한국해양대학교 기계.에너지시스템공학부) , 배원병 (부산대학교 기계공학부)

초록
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극저온 온도 구조 재료의 중요한 기계적 성질 중 하나는 파괴 인성이다. 파괴 인성 시험 방법의 규격화에 대한 연구는 극저온 구조 요소의 개발과 함께 매우 중요한 문제가 되고 있다. 특히 용접부의 경우 극저온 환경 하에서 사용할 때 불안정파괴를 유발할 수 있기 때문에 용접부의 각 미세조직에 따른 기계적 성질 평가가 중요하다. 본 연구에서는 STS-316L 모재와 용접재를 대상으로 액체질소(77K), 액체헬륨(4K), 293K 온도에서 제하컴플라이언스법과 예민화 열처리한 소형화된 시험편 대상으로 파괴인성평가 실험을 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

One of the important mechanical properties of cryogenic temperature structure material is fracture toughness. Research on normalization of fracture toughness test method is becoming very important issue with development of cryogenic structural elements. Specially, mechanical properties estimation by each micro-structure of welding department is important because it can cause unstable fracture when use under cryogenic environment in case of welding department. In this study, fracture toughness estimation test was carried out to unloading compliance method and sensitization heat-tread minimized test specimen at liquid nitrogen (77K), liquid helium (4K), 293K temperature to STS-316L base metal and weld metal.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 용접성이 우수할 뿐만 아니라 용접부의 투자율(magnetic permeability) 상승을 최소화 할 수 있는 재료로 저온에서 인성을 강화시키는 니켈이 함유되어 있는 오스트나이트계 스테인리스강 STS-316L 모재와 GTA 용접과 EB 용접한 용접재가 대상이다. 액체질소(77K), 액체헬륨(4K), 293K 온도에서 제하 컴플라이언스(unloading compliance)법과 예민화 열처리한 소형화된 시험편 대상으로 파괴인성 실험하여 비교 연구하는게 목적이다.

제안 방법

본 연구에서는 STS-316LN 모재와 용접재를 대상으로 액체질소(77K), 액체헬륨(4K), 293K 온도에서 제하컴플라이언스법과 예민화 열처리한 소형화된 시험편 대상으로 파괴인성평가 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
Figure 5는 유효 항복강도와 파괴인성의 상관관계를 나타낸 것이다. 여기서 모재와 EB 용접재는 마르텐사이트 변태로부터 항복 이후에 변형률 경화를 경험하기 때문에 항복강도 대신 인장강도와의 평균인 유효항복 강도를 사용하였다.
온도 293K와 77K에서의 최대하중은 250kN인 Instron 1255를 사용하였고, 온도 4K에서는 100톤 용량의 만능재료시험기를 이용하였으며, 4K 온도를 조성하기 위해 헬륨 저온용기(helium cryostat)를 이용하였다. 시험편의 형상 및 치수를 Figure 1과Figure 2에 나타냈다.
이러한 용접은 그루브각이 넓은 수동 용접에 비해 용접량이 적기 때문에 용접속도가 빠르고 용접 열영향을 적게 받는 장점을 가지고 있다. 용접전류는 80~150A이며 전압은 10~15V 이내로 하였고 용접 층간 온도를 150℃ 이하로 유지하였으며, 총 27회 걸쳐 용접이 실시되었다.

대상 데이터

시험편의 형상 및 치수를 Figure 1과Figure 2에 나타냈다. Figure 1은 293K와 77K 시험 온도에 해당하는 시험편이며, Figure 2는 4K 시험 온도에 해당하는 시험편으로 Figure 1은 두께가 25.4mm, 폭 50.8mm이며 Figure 2는 두께가 9mm, 폭 36mm이다.
본 연구에서는 용접성이 우수할 뿐만 아니라 용접부의 투자율(magnetic permeability) 상승을 최소화 할 수 있는 재료로 저온에서 인성을 강화시키는 니켈이 함유되어 있는 오스트나이트계 스테인리스강 STS-316L 모재와 GTA 용접과 EB 용접한 용접재가 대상이다. 액체질소(77K), 액체헬륨(4K), 293K 온도에서 제하 컴플라이언스(unloading compliance)법과 예민화 열처리한 소형화된 시험편 대상으로 파괴인성 실험하여 비교 연구하는게 목적이다.

이론/모형

ASTM E813은 극저온 환경에서 파괴인성 평가방법으로 현재까지 가장 널리 사용되어온 시험법이기 때문에 본 연구에서도 이 규격에 준한 단일 시험편을 사용하여 시험하였다[3].
파괴인성 시험은 ASTM E813-89에 근거한 단일 시험편법으로 수행하였으며, Table 1은 시험편의 종류 및 시험조건에 따라 제작된 시험편의 수량과 시험편의 일련번호를 나타낸 것이다.

성능/효과

1) 온도가 감소함에 따라 모든 시험편에서의 파괴인성은 선형적으로 변화하고 있음을 알 수 있었으며, 모재와 EB 용접재보다는 GTA 용접재의 파괴인성이 온도 감소에 덜 의존하고 있음을 확인했다.
1)~3)까지의 결론을 종합해보면, GTA 용접재는 모든 온도에서 변형률 경화를 일으키지 않아 모재와 EB 용접재보다 저온 파괴인성이 우수함을 알 수 있었다.
2) 293K 온도조건에서 모재가 다소 높은 균열저항을 가지고 있었으며, 가장 작은 항복강도와 가장 높은 연신율을 나타냄으로서 상온에서 가장 우수한 파괴인성을 나타났다.
3) 77K와 4K의 온도조건에서는 293K와 다르게 GTA 용접재의 균열저항이 가장 우수한 것으로 나타났다. 이는 저온으로 내려감에 따라 GTA 용접재가 높은 파괴인성을 나타내는 것으로 경도분포, 화학적 조성, 마르텐사이트 변태에 의한 변형률 경화와 연관시킬 수 있었다.
온도 감소에 따라 유효항복 강도는 증가하나 파괴인성은 감소하는 반비례 관계를 보이고 있다. 또한 GTA 용접재는 77K 및 4K에서 모재 및 EB 용접재보다 낮은 유효항복강도와 높은 파괴인성을 나타내고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	극저온 구조재료에서 중요한 기계적 성질은 무엇인가?	극저온 구조재료에서 중요한 기계적 성질중의 하나는 파괴인성으로 파괴인성 시험법의 규격화에 관한 연구가 극저온 구조부재의 개발과 함께 매우 중요한 관점으로 되고 있다.
	극저온용 구조재료인 오스트나이트계 스테인리스강에서 가장 중요한 것은 무엇인가?	극저온용 구조재료로 오스트나이트계 스테인리스강은 조성과 가공 방법에 따라 기계적 특성도 다르게 되는데, 그 중 가장 큰 문제 중의 하나는 열시효저하(thermal aging degradation)로 모재와 용접 금속이 고온에서 장시간 동안 가열되면 예민화되어 구조물의 안전성에 큰 영향을 줄 수 있어 파괴 인성에 대한 지식이 매우 중요하다[1].

참고문헌 (8)

정병호, 김무길, "316 스테인리스강의 입계부식에 미치는 열사이클과 응력의 영향", 한국마린엔지니어링학회지, 제30권, 제6호, pp. 709-715, 2006.
문경만, 이규환, 김진경, "GTAW에 의한 스테인리스강 용접부위의 부식특성에 관한 전기화학적평가", 한국마린엔지니어링학회지, 제34권, 제5호, pp. 678-685, 2010.

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ASTM Standard E813-89, "Standard Test Method for $J_{IC}$ , A Measure of Fracture Toughness", 1989.
H. A. Ernst, P. C. Paris, M. Rossow, and J. W. Hutchinson, "Analysis of load-displacement relationship to determine J-R curve and tearing instability material properties", Fracture Mechanics, ASTM STP 677, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, pp. 581-599, 1979.
J. A. Kapp, "J-R curve determination using precracked charpy specimens and the load-drop method for crack measurements", Defense Technical Information Center, p. 29, 1985.
J. D. Landes, Z. Zhou, K. Lee, and R. Herrera, "Normalization method for developing   curves with the LMN function," Journal of Testing and Evaluation, JTEVA, vol. 19, no. 4, pp. 305-311, 1991.

상세보기
권일현, 정세희, "극저온 구조재료의 파괴인성평가법에 관한 연구", 대한기계학회논문집 A권, 제22권, 제1호, pp. 64-72, 1998.
최동준, 박형욱, 조종래, "초저온 액화질소 저장용기의 오스테나이트계 스테인리스강의 기계적특성 연구", 한국마린엔지니어링학회지, 제35권, 제4호, pp. 451-459, 2011.

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