내식성과 기계적 성능이 우수한 316L 스테인리스 강의 저주기 변형률제어 피로시험에서 3가지 변형률진폭과 3가지 변형률비의 조건이 피로수명에 미치는 효과를 분석하였다. 낮은 변형률범위에서 곡선이 거의 중첩되는 Masing 거동이 나타나고, 높은 변형률범위에서 비선형거동 응력범위가 서로 크게 벗어나는 non-Masing 거동과 함께 평균응력의 감소가 나타났다. 소성 변형률에너지를 이용하여 저주기 피로수명을 예측하고 non-Masing 거동을 고려한 수명예측 방법의 정확성 여부를 검토하였다. 각각의 변형률진폭과 변형률비의 조건에서 초기 수 사이클 동안 반복경화 현상 후 장시간동안 점진적으로 낮아져 연화하다가 파괴 되었다. 저사이클 피로수명을 정확히 예측하기 위해서는 변형률진폭에 따라 Masing 및 non-Masing 거동을 구분하고, 이를 반영한 수명예측식을 적용해야 함을 알았다.
내식성과 기계적 성능이 우수한 316L 스테인리스 강의 저주기 변형률제어 피로시험에서 3가지 변형률진폭과 3가지 변형률비의 조건이 피로수명에 미치는 효과를 분석하였다. 낮은 변형률범위에서 곡선이 거의 중첩되는 Masing 거동이 나타나고, 높은 변형률범위에서 비선형거동 응력범위가 서로 크게 벗어나는 non-Masing 거동과 함께 평균응력의 감소가 나타났다. 소성 변형률에너지를 이용하여 저주기 피로수명을 예측하고 non-Masing 거동을 고려한 수명예측 방법의 정확성 여부를 검토하였다. 각각의 변형률진폭과 변형률비의 조건에서 초기 수 사이클 동안 반복경화 현상 후 장시간동안 점진적으로 낮아져 연화하다가 파괴 되었다. 저사이클 피로수명을 정확히 예측하기 위해서는 변형률진폭에 따라 Masing 및 non-Masing 거동을 구분하고, 이를 반영한 수명예측식을 적용해야 함을 알았다.
In this study, a strain-controlled fatigue test of widely-used 316L stainless steel with excellent corrosion resistance and mechanical properties was conducted, in order to assess its fatigue life. Low cycle fatigue behaviors were analyzed at room temperature, as a function of the strain amplitude a...
In this study, a strain-controlled fatigue test of widely-used 316L stainless steel with excellent corrosion resistance and mechanical properties was conducted, in order to assess its fatigue life. Low cycle fatigue behaviors were analyzed at room temperature, as a function of the strain amplitude and strain ratio. The material was hardened during the initial few cycles, and then was softened during the long post period, until failure occurred. The fatigue life decreased with increasing strain amplitude. Masing behavior in the hysteresis loop was shown under the low strain amplitude, whereas the high strain amplitude caused non-Masing behavior and reduced the mean stress. Low cycle fatigue life prediction based on the cyclic plastic energy dissipation theory, considering Masing and non-Masing effects, showed a good correlation with the experimental results.
In this study, a strain-controlled fatigue test of widely-used 316L stainless steel with excellent corrosion resistance and mechanical properties was conducted, in order to assess its fatigue life. Low cycle fatigue behaviors were analyzed at room temperature, as a function of the strain amplitude and strain ratio. The material was hardened during the initial few cycles, and then was softened during the long post period, until failure occurred. The fatigue life decreased with increasing strain amplitude. Masing behavior in the hysteresis loop was shown under the low strain amplitude, whereas the high strain amplitude caused non-Masing behavior and reduced the mean stress. Low cycle fatigue life prediction based on the cyclic plastic energy dissipation theory, considering Masing and non-Masing effects, showed a good correlation with the experimental results.
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문제 정의
또한 소성 변형률에너지를 피로수명 인자로 채택하여 피로수명을 예측하고 평균응력의 동태 분석과 함께 non-Masing 거동을 고려한 수명예측 방법의 정확성 여부를 검토하였다. 더불어, 316L 강의 피로 미세파괴 과정을 분석하여 수명에 미치는 미세 구조적 영향 인자를 연구하였다.
본 연구에서는 316L 스테인리스강의 변형률 제어 저주기 피로시험을 통해 다양한 변형률진폭과 변형률비의 조건이 피로수명에 미치는 효과를 분석하였다. 또한 소성 변형률에너지를 피로수명 인자로 채택하여 피로수명을 예측하고 평균응력의 동태 분석과 함께 non-Masing 거동을 고려한 수명예측 방법의 정확성 여부를 검토하였다.
제안 방법
0.3 %, 0.5 %, 0.8 % 변형률진폭( εa )과 -1, 0, 0.5의 변형률비( Rε =최소변형률진폭/최대변형률진폭)의 조건으로 총 9가지 조건으로 시험하였다.
본 연구에서는 316L 스테인리스강의 변형률 제어 저주기 피로시험을 통해 다양한 변형률진폭과 변형률비의 조건이 피로수명에 미치는 효과를 분석하였다. 또한 소성 변형률에너지를 피로수명 인자로 채택하여 피로수명을 예측하고 평균응력의 동태 분석과 함께 non-Masing 거동을 고려한 수명예측 방법의 정확성 여부를 검토하였다. 더불어, 316L 강의 피로 미세파괴 과정을 분석하여 수명에 미치는 미세 구조적 영향 인자를 연구하였다.
시험편은 선반 가공되었으며 표면 거칠기에 의한 영향을 배제하기 위해서 연마를 #2000까지 시험편의 축 방향을 따라 수행하였다. 또한 연신률계(extensometer)의 고정용 날(knife edges)에 의한 응력집중으로 표면의 균열 개시를 막기 위해 소량의 에폭시(epoxy glue)를 시험편 표면의 게이지 부에 코팅하여 경화 처리하였다. 시험편의 모양 및 치수는 ASTM E606-92의 표준 규격인 환봉 덤벨형(cylindrical dumbbell type)으로 제작하였다.
단축 인장시험 및 저주기 피로시험은 servo-hydraulic testing system(Instron, model 8516)을 사용하여 상온에서 수행하였다. 변형률 제어 피로시험을 위해서 동적 연신률계(dynamic extensometer)를 사용하였으며, 시험 중에 변위, 하중 및 변형률 값을 측정하였다.
인장시험은 상온에서 2 mm/min의 속도로 수행하였고 변형률은 정적 연신률계(static extensometer)로 측정하였다. 저주기 피로시험은 변형률진폭 제어로 1 ×10-3/s 의 일정 변형률 속도를 유지하는 삼각파로 수행되었다.
저주기 피로시험은 변형률진폭 제어로 1 ×10-3/s 의 일정 변형률 속도를 유지하는 삼각파로 수행되었다.
준비된 시험편의 평활부로부터 일부를 절단하여 폴리싱 처리한 후 염산 80 %, 질산 20 %의 용액으로 10분간 에칭 한 후, 그 단면을 SEM을 이용하여 관찰하였다(Fig. 2). 오스테나이트 결정이 수μm~수십 μm의 크기로 구상 혹은 기둥형으로 존재하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 316L 스테인리스강은 상온부터 고온까지 non-Masing 거동이 관찰되었다. (15)
시험에 사용된 재료는 냉간 가공된 316L 스테인리스강으로 용체화 처리 후 풀림된 재료를 냉간 인발에 의해 지름 15 mm 환봉으로 가공하였다. 제조사에서 제공한 재료의 화학적 조성을 Table 1에 나타낸다.
이론/모형
단축 인장시험 및 저주기 피로시험은 servo-hydraulic testing system(Instron, model 8516)을 사용하여 상온에서 수행하였다. 변형률 제어 피로시험을 위해서 동적 연신률계(dynamic extensometer)를 사용하였으며, 시험 중에 변위, 하중 및 변형률 값을 측정하였다.
또한 연신률계(extensometer)의 고정용 날(knife edges)에 의한 응력집중으로 표면의 균열 개시를 막기 위해 소량의 에폭시(epoxy glue)를 시험편 표면의 게이지 부에 코팅하여 경화 처리하였다. 시험편의 모양 및 치수는 ASTM E606-92의 표준 규격인 환봉 덤벨형(cylindrical dumbbell type)으로 제작하였다. 표점거리(gage length)와 직경은 각각 25 mm, 8.
성능/효과
(1) 상온에서 일정 변형률 속도(1 × 10-3sec-1)로 3가지의 변형률진폭(0.3 %, 0.5 %, 0.8 %) 조건으로 저주기 피로시험을 한 결과, 변형률진폭이 클수록 초기에 소성변형이 상대적으로 크게 발생하고 응력이완도 크게 발생하여 낮은 변형률진폭에 비해 반수명에서의 평균응력 값이 매우 작게 나타났다.
(2) 변형률비가 커질수록 낮은 변형률진폭(εa=0.3 %)에서는 변형률비가 커질수록 피로수명이 작아졌으나 상대적으로 높은 변형률진폭(εa =0.5, 0.8 %)에서는 변형률비에 따른 피로수명의 차이가 별로 유의하지 않았다.
(3) non-Masing 거동을 보이는 재료에 대해 히스테리시스선도의 비례한도 변화량을 반영하여 피로수명 예측 시, Masing 거동을 고려한 변형률 에너지법을 사용했을 경우에 비해 높은 변형률진폭에서 피로수명의 예측 정확성이 개선되었다.
(4) 피로 파괴된 시편들의 파단부에 대하여 EDX 성분분석을 수행하였으며 표면의 균열개시부에서 다량의 탄소 성분이 관찰되어 시편의 저주기 피로수명 저하의 소재적 원인임을 알았다.
(5) 저사이클 피로수명을 정확히 예측하기 위해서는 변형률진폭에 따라 Masing 및 non-Masing 거동을 구분하고, 이를 반영한 수명예측식을 적용할 필요가 있음을 알았다.
8% 의 경우에 대한 시험편의 파단면을 SEM 촬영한 사진이다. 두 가지 모두 초기 균열이 표면부에서 발생하여 전형적인 저주기 피로파손 거동을 보이고 있으나 (b)의 경우 (a)에 비해 피로균열 진전면에서 비교적 요철이 심하고 거칠었으며 피로균열 진전 영역이 작았음을 알 수 있다. Fig.
Masing 거동이 나타나는 εa=0.3%와 0.5%에서는 Masing 거동을 고려한 예측식 (5)가 더 정확하며, εa=0.8%에서는 non-Masing거동을 고려한 예측식(9)가 더 적합하였다(오차 1.3%).
후속연구
이 경우 모든 변형률 진폭 조건에서 히스테리시스 선도의 모양은 지배 곡선(master curve)의 H와 n으로부터 구해질 수있다. 저주기피로 시험의 경우 피로수명의 편차가 크게 나다나는 것을 감안하면 Masing과 nonMasing 방법 사이에 통계적으로 유의성 있는 차이가 있다고 보기에 어려우나 부족한 시험편 갯수로 피로수명 예측을 시도할 경우에는 Masing 거동과 non-Masing 거동을 구분할 필요가 있을 것이다. ε a가 클 경우 non-Masing 거동 분석에 근거한 피로수명 예측시에 반복 변형률 경화지수 n과 증분된 히스테리시스 면적을 포함함으로써 예측의 정확도가 개선될 수 있음을 보여준다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
316L 스테인리스강이 반복 열변형을 받을 경우 피로파손의 지배적인 고장 모드는 무엇인가
그 중 원자력 발전소의 냉각로 구조 재료로 선호되는 316L 스테인리스강은 운전의 시작과 정지 또는 과도한 출력 변동에 따른 냉각과 가열의 온도 구배로 반복 열변형을 받게 된다. 이 경우, 피로파손의 지배적인 고장 모드는 저주기 피로이며 이와 관련된 많은 연구가 이루어져 왔다. (1~3)
오스테나이트 계 스테인리스강은 어디에 사용되는가
오스테나이트 계 스테인리스강은 내식성, 내열성, 내충격성, 연성 등이 뛰어나 각종 화학공업, 건축, 항공기, 차량, 선박, LNG 운반탱크 등의 재료로서 널리 이용되고 있다. 그 중 원자력 발전소의 냉각로 구조 재료로 선호되는 316L 스테인리스강은 운전의 시작과 정지 또는 과도한 출력 변동에 따른 냉각과 가열의 온도 구배로 반복 열변형을 받게 된다.
non-Masing 거동이 고려되지 않은 기존의 이론식으로 소성 변형률에너지를 구할 경우의 문제점은 무엇인가
non-Masing 거동이 고려되지 않은 기존의 이론식으로 소성 변형률에너지를 구할 경우 실험값과 차이가 발생하여 응력-변형률 이력곡선을 모사하는 것이 용이하지 않았다. 이는 변형률 진폭 조건에 따른 변형률 경화와 연화 거동에서 기인하는 것으로 밝혀졌으며 이를 보완하기 위해 nonMasing 거동의 금속재료에 대한 응력-변형률 이력곡선의 정확한 모사방법이 Ellyin (16) 과 Wittke 등 (17) 에 의해 제안되었다.
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