[논문]STS 321 스테인리스강의 고온 변형 거동

이금오; 유철성; 허성찬; 최환석

doi:10.6108/kspe.2016.20.5.051

[국내논문] STS 321 스테인리스강의 고온 변형 거동
High-Temperature Deformation Behavior of a STS 321 Stainless Steel 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.20 no.5, 2016년, pp.51 - 59

이금오 (Combustion Chamber Team, Rocket Engine Development Office, Korea Aerospace Research Institute) , 유철성 (Combustion Chamber Team, Rocket Engine Development Office, Korea Aerospace Research Institute) , 허성찬 (Combustion Chamber Team, Rocket Engine Development Office, Korea Aerospace Research Institute) , 최환석 (Combustion Chamber Team, Rocket Engine Development Office, Korea Aerospace Research Institute)

초록
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STS 321 스테인리스강은 액체 로켓 엔진을 비롯한 고온 고압의 시스템의 재료로서 많이 사용된다. 321 스테인리스강의 고온에서의 변형 거동을 예측하기 위해 Kocks의 전위 장벽 모델을 근거로 유동응력에 대한 구성 방정식을 열적 응력 요소와 비열적 응력 요소를 사용하여 제안하였다. 제안한 모델은 321 스테인리스강의 상온부터 $500^{\circ}C$의 넓은 온도 영역에서 재료의 변형 거동들을 잘 예측하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

STS 321 stainless steel is generally used for a material of high-temperature and high-pressure system including liquid rocket engine. The constitutive equation for flow stress has been suggested using thermal stress component and athermal stress component based on Kocks dislocation barrier model to predict 321 stainless steel's deformation behavior at elevated temperature. The suggested model predicted well the material deformation behaviors of 321 stainless steel at the wide temperature range from room temperature to $500^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

확산과 크리프가 중요하지 않는 범위 내에서 재료의 변형은 전위의 움직임에 의해 대부분의 영향을 받는다. 많은 재료에 대해서 이것은 소성 변형을 일으키는 유동 응력(flow stress)으로 가정할 수 있으며, 이것은 두 개의 응력 항으로 구성되어 있다고 가정한다. 하나는 Peierls stress가 포함된 열적으로 활성화된 전위의 영향으로 나타난 것이며, 이것은 공공(vacancy)등으로 대표되는 점 결함(point defect)으로 인해 발생한 것이다.
Nemat-Nasser와 Issac[17]은 어떠한 온도에서는 온도에 관계없이 유동 응력이 독립적으로 되는 임계 온도가 있는데, Ta-W 합금의 실험에서 10-3 /s의 변형률 속도에서는 430 K이며, 5000 /s에서는 1000 K으로 관찰하였다. 본 연구에서는 많은 변형률 속도의 실험을 할 수 없었기 때문에, 현재 321 스테인리스강의 시험 결과가 있는 평균 변형률 속도 10-3 /s에서 임계 온도를 세레이션이 발생되기 이전의 시점인 773 K으로 가정하였다. 773 K의 유동 응력을 비열적 응력 요소로 놓았을 때, 온도에 따른 변형응력의 변화를 log-log 선도에서 Fig.

제안 방법

Fig. 2에서 또한 볼 수 있는바와 같이 온도 제어를 위해서 열전대(thermocouple)를 시편에 점용접(spot welding)하여 사용하였으며, 시험시간동안 ±5℃ 내외로 온도 제어를 수행하였다.
고온/고압 환경에서 사용을 많이 하는 STS 321 스테인리스강의 고온 변형 거동을 분석하기 위해서 상온에서 700℃까지 인장시험을 수행하였다. 시험 결과 600-700℃ 구간에서 세레이션 항복이 발생하였다.
시험 결과 600-700℃ 구간에서 세레이션 항복이 발생하였다. 변형 거동을 예측하기 위해 재료의 고온에서 변형 거동을 묘사할 수 있는 구성 방정식을 Kocks의 재료 모델을 근거로 열적 요소와 비열적 요소로 나누어 구성하였다. 낮은 온도 영역에서 장애물들의 증가로 인한 유동 응력의 열적 요소의 응력 증가를 묘사하기 위해서, 장애물로 인해 발생하는 응력 요소를 Ramberg-Osgood 형태의 식으로 치환하였다.
전위 에너지 장벽 모델(dislocation energy barrier model)을 Kocks 등[11]이 처음 제시한 이래, 시험 결과를 통해서 물리적인 것에 기반을 둔 모델들이 Nemat-Nasser 연구팀[17,18]에 의해서 개발되었다. 본 연구에서는 Nemat-Nasser와 다른 연구자들이 제안한 구성 방정식을 바탕으로 321스테인리스강의 재료 모델을 구성하였다.
본 연구에서는 STS 321 스테인리스강의 고온에서의 하중 및 변형률 해석을 위해 인장 시험을 통해 온도에 따른 유동 응력에 대한 데이터베이스를 구축하였으며, Kocks등[11]의 물리학적 이론에 기초한 전위 구성 방정식(dislocation based constitutive equation)을 통해 재료 모델을 구성하여, 고온 열적-기계적 하중 및 변형률 해석에 사용할 수 있게 하였다.
재료의 인장시험 동안의 변형률을 측정하기 위해서 고온용 신장계(extensometer)를 사용하였다. 상온에서 700℃까지의 온도에서 고온 인장시험을 수행하였으며, 각각의 온도에서 시험 시편을 3개씩 사용하여 시험을 수행하였다.
재료의 시험은 MTS사의 시험기(Fig. 1)를 사용하여 1 mm/min의 속도로 상온 인장 시험 및 고온 인장시험을 수행하였으며, 고온 환경을 유지하기 위해서 Fig. 1과 같은 소형 챔버를 사용하였다. 시험이 끝난 후 파괴된 인장 시편의 모습 Fig.

대상 데이터

본 시험에서 사용한 STS 321 스테인리스강은 연소기 확대노즐부나 가스발생기 내피의 소재로 사용할 수 있는지 확인을 위하여 직경이 100 mm 정도의 환봉형 재료에서 축방향으로 와이어 절단(wire cutting)된 소재이다. 시편은 모두 dog-bone 타입으로 제작된 풀림처리된 (annealed) 스테인리스강이며, ASTM E606-92를 따라서 직경 6.
본 시험에서 사용한 STS 321 스테인리스강은 연소기 확대노즐부나 가스발생기 내피의 소재로 사용할 수 있는지 확인을 위하여 직경이 100 mm 정도의 환봉형 재료에서 축방향으로 와이어 절단(wire cutting)된 소재이다. 시편은 모두 dog-bone 타입으로 제작된 풀림처리된 (annealed) 스테인리스강이며, ASTM E606-92를 따라서 직경 6.25 mm, 측정 길이(gage length) 32 mm의 시편으로 제작되었다. 그립부는 일반나사식으로 제작되었다.

이론/모형

변형 거동을 예측하기 위해 재료의 고온에서 변형 거동을 묘사할 수 있는 구성 방정식을 Kocks의 재료 모델을 근거로 열적 요소와 비열적 요소로 나누어 구성하였다. 낮은 온도 영역에서 장애물들의 증가로 인한 유동 응력의 열적 요소의 응력 증가를 묘사하기 위해서, 장애물로 인해 발생하는 응력 요소를 Ramberg-Osgood 형태의 식으로 치환하였다. 제안한 모델은 321 스테인리스강의 상온부터 500℃의 넓은 온도 영역에서 재료의 변형 거동을 잘 예측하는 것으로 나타났다.

성능/효과

Fig. 8에서 0.1, 0.2, 0.4, 0.8, 1.6%에서 각각 측정한 유동응력과 모델에 의해 예측된 유동응력은 상온에서 773 K에 이르기까지는 평균 오차 1.98%로 잘 예측하는 것을 관찰할 수 있었으며, 873 K과 973 K에서는 평균 오차가 15.0%로서 크게 벌어지는 것들을 계산을 통해 확인할 수있었다. 이와 같이 본 논문에서 제안한 구성 방정식은 고온에서 재료의 거동을 잘 예측하고 있었으며, T_c의 온도 이하에서는 내삽(interpolation) 또는 외삽(extrapolation)도 가능한 것으로 여겨진다.
온도가 증가할수록 항복응력이 줄어드는 것들을 관찰할 수 있으며, 인장강도(ultimate tensile strength)와 연신율 또한 온도가 높아지면서 감소하는 경향을 보이는 것들을 알 수 있다. 신장계로 측정한 연신율은 상온에서 평균 53.9%, 700℃의 고온에서 25.1% 정도로 일반적인 강에 비해 매우 높은 편이며, 항복강도는 상온에서 평균 168.6 MPa, 700℃의고온에서 86.9 MPa 정도로 상온의 항복강도는 일반적인 강에 비해 매우 낮으나 700℃의 고온에서 항복강도는 상온의 절반정도에 해당하는 값으로서 그리 낮은 수준은 아님을 확인할 수 있다. 상온에서 항복강도는 168.
그림에서 온도가 높아질수록 응력이 감소하는 일반적인 경향을 보이며, 변형률이 증가할수록 가공 경화(work hardening)가 급격하게 진행되는 것들을 관찰할 수 있다. 온도가 증가할수록 항복응력이 줄어드는 것들을 관찰할 수 있으며, 인장강도(ultimate tensile strength)와 연신율 또한 온도가 높아지면서 감소하는 경향을 보이는 것들을 알 수 있다. 신장계로 측정한 연신율은 상온에서 평균 53.
0%로서 크게 벌어지는 것들을 계산을 통해 확인할 수있었다. 이와 같이 본 논문에서 제안한 구성 방정식은 고온에서 재료의 거동을 잘 예측하고 있었으며, T_c의 온도 이하에서는 내삽(interpolation) 또는 외삽(extrapolation)도 가능한 것으로 여겨진다. 극저온의 데이터가 포함되 었을 경우 더 정밀한 모델 구성이 가능했을 것이며, 873 K 이상에서의 고온에서의 변형 거동을 예측하기 위해 동적 변형 시효의 영향과 크리프의 영향을 구성방정식에 포함시킨다면 보다 정밀하게 고온에서의 소성변형을 예측할 수 있을 것으로 예상된다.
낮은 온도 영역에서 장애물들의 증가로 인한 유동 응력의 열적 요소의 응력 증가를 묘사하기 위해서, 장애물로 인해 발생하는 응력 요소를 Ramberg-Osgood 형태의 식으로 치환하였다. 제안한 모델은 321 스테인리스강의 상온부터 500℃의 넓은 온도 영역에서 재료의 변형 거동을 잘 예측하는 것으로 나타났다. 600℃ 이상에서 나타났던 동적 변형 시효에 의한 영향과 크리프에 대한 영향을 구성 방정식에 포함한다면, 보다 더 정밀한 예측이 가능할 것으로 예상된다.

후속연구

제안한 모델은 321 스테인리스강의 상온부터 500℃의 넓은 온도 영역에서 재료의 변형 거동을 잘 예측하는 것으로 나타났다. 600℃ 이상에서 나타났던 동적 변형 시효에 의한 영향과 크리프에 대한 영향을 구성 방정식에 포함한다면, 보다 더 정밀한 예측이 가능할 것으로 예상된다.
이와 같이 본 논문에서 제안한 구성 방정식은 고온에서 재료의 거동을 잘 예측하고 있었으며, T_c의 온도 이하에서는 내삽(interpolation) 또는 외삽(extrapolation)도 가능한 것으로 여겨진다. 극저온의 데이터가 포함되 었을 경우 더 정밀한 모델 구성이 가능했을 것이며, 873 K 이상에서의 고온에서의 변형 거동을 예측하기 위해 동적 변형 시효의 영향과 크리프의 영향을 구성방정식에 포함시킨다면 보다 정밀하게 고온에서의 소성변형을 예측할 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액체 로켓 엔진의 터보펌프의 터빈은 무엇으로 구동되는가?	높은 추력과 낮은 무게의 액체 로켓 엔진의 개발은 성능 높은 발사체를 개발하는데 있어서 필수적인 요소이다[1]. 가스발생기와 터보펌프 방식을 사용한 액체 로켓 엔진은 가스발생기에서 발생되는 고온 고압의 가스로 터보펌프의 터빈을 구동시킨다. 터보펌프에서 공급된 연료와 산화제는 연소기 챔버부에서 고온 고압의 가스로 연소하면서 연소기는 극저온 산화제에 의한 극저온의 온도와 연소가스에 의하여 고온의 환경에 동시에 노출된다.
	STS 321 오스테나이트 스테인리스강을 고온의 환경에 노출되는 장치에 사용하는 이유는 무엇인가?	321 스테인리스강은 304와 304L 스테인리스강에 비해 고온에서 입내부식 환경이 높은 환경 가운데 노출될 때 높은 크리프 저항성을 가지고 있다. 일반적으로 304, 304L 스테인리스강이 426℃ 정도의 환경까지 사용할 수 있는 반면에, 321 스테인리스강은 427℃에서 816℃의 크롬 카바이드(chromium carbide)의 석출로 인해 발생하는 입내 부식(intergranular corrosion) 저항성이 매우 좋아 최대 816℃까지 사용 가능하다[5].
	액체 로켓 엔진에 많이 사용되는 재료는 무엇인가?	따라서 엔진을 구성하는 대표적인 서브시스템인 연소기[2], 터보펌프[3], 가스발생기[4]는 모두 극저온 환경과 고온의 환경 상태에서 가압환경에 놓이게 된다. 고온에서도 그 기계적 강도가 매우 높아 많이 사용되는 니켈 기반의 초합금(Ni-based superalloy)들도 액체 로켓 엔진에 많이 사용되지만[1], 가공상의 어려움과 높은 가격, 용접성, 열처리 문제 등으로 인하여 오스테나이트 계열의 스테인리스강 (austenitic stainless steel)도 많이 사용된다.

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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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