[논문]냉간가공을 통한 중성자조사된 오스테나이트 스테인리스강의 기계적물성 모사 타당성 분석

김진원; 김윤재

doi:10.20466/kpvp.2019.15.2.009

냉간가공을 통한 중성자조사된 오스테나이트 스테인리스강의 기계적물성 모사 타당성 분석
Feasibility Analysis of Simulation on the Mechanical Properties of Neutron Irradiated Austenitic Stainless Steels by Cold-working 원문보기

한국압력기기공학회 논문집 = Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping, v.15 no.2, 2019년, pp.9 - 18

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The objective of this study is to investigate the feasibility of simulating the mechanical properties of irradiatied austenitic stainless steels by cold-working. In this study, the tensile properties, cyclic hardening behaviors and fracture toughness of cold-worked TP316L stainless steel were compared with those of austenitic stainless steels irradiated by neutrons. It showed that cold-working can properly simulate the increase in strength and the decrease in ductility and fracture resistance of austenitic stainless steels by neutron irradiation, even though it could not perfectly simulate the microstructures of irradiated austenitic stainless steels. Also, cold-working can appropriately simulate the hardening behaviors of neutron irradiated austenitic stainless steels under monotonic and cyclic loading conditions.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1 Microstructures of as-received and cold-worked TP316L stainless steels
그림 Fig. 2 Specimens used for the experiments
표 Table 1 Chemical composition of TP316L stainless steel used for experiment
그림 Fig. 3 Comparison of engineering stress vs. strain curves of as-received and cold-worked TP316L stainless steels⁽¹¹⁾
표 Table 2 Tensile properties of as-received and cold-worked TP316L stainless steels
표 Table 3 J_Q (or J_IC) and J_1.0mm values of as-received and cold-worked TP316L stainless steels
그림 Fig. 4 Comparison of J-R curves of as-received and cold-worked TP316L stainless steels⁽¹¹⁾
그림 Fig. 5 Comparison of load-displacement curves of as-received and cold-worked TP316L stainless steels⁽¹¹⁾
그림 Fig. 6 Comparison of cyclic hardening behaviors of as-received and cold-worked TP316L stainless steels⁽¹⁰⁾
그림 Fig. 7 Engineering stress-strain curves of irradiated 316 stainless steel tested at 330℃⁽¹²⁾
그림 Fig. 8 Variation in tensile properties of austenitic stainless steels with irradiation dose level^(13,14)
$Fig. 9 Variation in fracture toughness of austenitic stainless steels with irradiation dose level<sup>(4)</sup>$ 그림 Fig. 9 Variation in fracture toughness of austenitic stainless steels with irradiation dose level⁽⁴⁾
그림 Fig. 10 Stress amplitude vs. number of cycles for irradiated TP304 stainless steel at various strain amplitudes⁽¹⁵⁾

AI 본문요약
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문제 정의

(10,11) 본 논문에서는 이들 시험 결과와 참고문헌^(4,12-15)에서 제시 하고 있는 중성자 조사에 따른 오스테나이트 스테인리스강의 기계적물성 변화를 비교함으로써 냉간 가공을 통해 중성자 조사된 스테인리스강의 기계 적물성 변화를 모사할 수 있는지 그 타당성을 검토하였다.
본 논문에서는 냉간가공을 통해 중성자 조사된 오스테나이트 스테인리스강의 기계적물성을 모사 할 수 있는지를 확인하기 위해서, 33 % 냉간압연된 TP316L 스테인리스강의 표준 인장시험, J-R 파괴인성시험, 그리고 반복 응력-변형률 시험 결과를 중성자 조사된 오스테나이트 스테인리스강의 인장 물성, 파괴인성, 그리고 반복변형 거동과 비교하였다. 비교 결과 냉간가공을 통해 중성자 조사된 오스테나이트 스테인리스강의 미세조직을 완벽하게 모사하지는 못하지만, 거시적으로 중성자 조사된 오스테나이트 스테인리스강의 강도 증가, 연성과 파괴인성 감소 현상은 적절히 모사하는 것으로 확인되었다.
여기서는 앞서 정리된 냉간압연된 TP316L 스테인리스강에 대한 시험 결과와 참고문헌에 제시된 중성자조사 오스테나이트 스테인리스강의 인장물성, 파괴인성, 반복변형 거동 등을 비교함으로써 냉간압연을 통해 중성자 조사된 오스테나이트 스테인리스강의 기계적물성을 모사할 수 있는지 가 능성을 살펴보았다.

제안 방법

냉간압연된 TP316L 스테인리스강은 압연 방향으로 결정립이 변형되어 있으며, 일부 결정립에서는 변형에 의해 생성된 마르텐사이트 조직이 관찰되었다. 33%의 압연율은 냉간압연된 TP316 스테인리스강⁽⁸⁾과 중 성자 조사된 오스테나이트 스테인리스강의 인장물 성치^(13,14)비교를 통해 오스테나이트 스테인리스강 에서 중성자 조사에 따른 재료물성의 변화가 포화 되는 조사선량에서 결정되었다. 즉, 33%의 압연율 은 10 dpa 이상의 중성자 조사에 의한 재료물성치 변화를 기대할 수 있는 조건에서 결정되었다.
따라서, 본 논문의 선행연구에서는 냉간압연된 TP316L 스테인리스강에 대한 인장시험, J-R 파괴 인성시험, 그리고 반복 응력-변형률 시험을 수행하고, 냉간압연에 따른 인장물성, 파괴인성, 그리고 반복 변형거동의 변화를 살펴보았다.^(10,11) 본 논문에서는 이들 시험 결과와 참고문헌^(4,12-15)에서 제시 하고 있는 중성자 조사에 따른 오스테나이트 스테인리스강의 기계적물성 변화를 비교함으로써 냉간 가공을 통해 중성자 조사된 스테인리스강의 기계 적물성 변화를 모사할 수 있는지 그 타당성을 검토하였다.
시험은 각 조건 별로 2∼3회씩 수행되 었으며, J-R 파괴인성시험에서 균열진전길이는 ASTM E1820의 부록⁽¹⁷⁾에 제시된 정규화법을 적용하여 결정하였다. 모든 시험에는 100 kN 용량의 로드 셀이 부착된 유압식만능시험기가 적용되었으며, 시편의 하중선변위는 게이지길이가 6 mm이고 측정 능력이 10 mm인 COD (Crack Opening Displacement) 게이지를 이용하여 측정하였다.
반복 응력-변형률 시험은 반복하중 조건에서 재료의 변형거동을 파악하기 위해 수행되었으며, 냉간압 연 전·후의 TP316L 스테인리스강을 대상으로 상온에서 진행되었다.
시험은 각 조건 별로 2∼3회씩 수행되 었으며, J-R 파괴인성시험에서 균열진전길이는 ASTM E1820의 부록(17)에 제시된 정규화법을 적용하여 결정하였다.
시험은 일정한 변형률진폭 (εα) 조건에서 변형률제어 모드로 수행되었다.
시험에 사용된 TP316L 스테인리스강은 두께가 22 mm인 판재로 화학조성 은 Table 1과 같다. 중성자 조사에 의한 기계적물성 변화를 모사하기 위해서 TP316L 스테인리스강 을 33 % 냉간압연하였다. Fig.

대상 데이터

5T-CT 시편이 사용되었다. 반복응력-변형률 시험에는 ASTM E606 기준⁽¹⁸⁾에 따라 설계된 직경이 6 mm이고 평형부길이가 13 mm인 봉상시편이 사용되었다. Fig.
시험에는 원자로내부구조물 등에 사용되는 TP316L 스테인리스강이 사용되었다. 시험에 사용된 TP316L 스테인리스강은 두께가 22 mm인 판재로 화학조성 은 Table 1과 같다. 중성자 조사에 의한 기계적물성 변화를 모사하기 위해서 TP316L 스테인리스강 을 33 % 냉간압연하였다.
시험에는 100 kN 용량의 로드 셀이 부착된 유압식만능시험기가 사용되었으며, 시편의 변형률 측정에는 게이지길이가 12.5 mm이고 측 정 능력이 ±15 %인 동적 신률계가 사용되었다.
0 ℃ 이내에서 20분 이상 유지 후 시험을 시작하였다. 시험에는 50 kN의 로드 셀이 부착된 기계식만 능시험기가 사용되었으며, 시편의 변위 측정에는 게이지길이가 25 mm이고 측정 능력이 +50 %, -10 %인 고온용 신률계가 사용되었다.
시험에는 원자로내부구조물 등에 사용되는 TP316L 스테인리스강이 사용되었다. 시험에 사용된 TP316L 스테인리스강은 두께가 22 mm인 판재로 화학조성 은 Table 1과 같다.
표준 인장시험에는 ASTM E8/E8M 기준⁽¹⁶⁾에 따라 설계된 직경이 5 mm이고 평형부 길이가 32 mm인 봉상시편이 사용되었으며, J-R 파괴인성시험에는 ASTM E1820 기준⁽¹⁷⁾에 따라 설계된 두께가 12.7 mm이고 폭이 25.4 mm인 0.5T-CT 시편이 사용되었다. 반복응력-변형률 시험에는 ASTM E606 기준⁽¹⁸⁾에 따라 설계된 직경이 6 mm이고 평형부길이가 13 mm인 봉상시편이 사용되었다.

성능/효과

일반적으로 오스테나이트 스테인리스강에서 중성자 조사에 따른 파괴인성 감소는 조사 온도와 조사량에 따라 차이를 보이는데, 300 ℃ 부근에서는 중성자 조사에 따른 항복강도 증가와 연성 감소가 주원인이고, 500 ℃ 이상의 고온에서는 He-취성이 크게 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.⁽³⁾ 따라서, 냉간압 연에 따른 TP316L 스테인리스강의 파괴인성 감소가 강도 증가와 연성 감소에 기인하는 것을 고려하면, 중성자 조사된 TP316L 스테인리스강의 파괴인성 감소를 냉간압연을 통해 적절히 모사할 수 있는 것으로 판단된다.
9배 정도 증가하였다. 균일연신률은 상온과 316 ℃에서 모두 냉간압연 전에 비해 약 95 % 감소하였으며, 총연신률은 상온에서 약 65 %, 316 ℃에서 약 76 % 감소한 것을 알 수 있다.
그러나, 냉간압연된 TP316L 스테인리 스강에서는 변형률진폭이 작은 경우 ( εα = 0.4%)를 제외하면, 초기부터 반복하중에 따라 응력진폭이 감소하는 반복연화 거동을 보였으며, 일정한 사이클의 반복하중이 작용된 이후에 연화 현상이 안정화되는 경향을 보였다.
3은 상온과 316 ℃에서 냉간압연 전･후의 TP316L 스테인리스강에 대한 공칭 응력-변형률 곡선을 비교한 것이다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이 냉간압연 전과 비교하여 냉간압연된 TP316L 스테인리스강에서 강도가 크게 증가하였으며, 연신률이 크게 감소하였다. 특히 인장강도 (TS, Tensile Strength)에 비해 항복강도 (YS, Yield Strength)의 증가 현상이 뚜렷하였으며, 총연신률 (TE, Total Elongation)에 비해 균일연신률 (UE, Uniform Elongation)이 큰 감소를 보였다.
냉간압연 전의 TP316L 스테인리스강에서는 초기 20∼30 사이클 동안 반복하중에 따라 응력진폭이 증가하는 반복경화 거동을 보였으며, 반복경화 현상은 시편에 작용된 변형률진폭이 클수록 크게 나타났다.
0mm가 각각 84 %와 87 % 정도 감소하였다. 따라서, 33% 의 냉간압연은 TP316L 스테인리스강의 파괴 인성을 크게 감소시켰으며, 인장시험 결과와 유사하게 상온에 비해 316 ℃에서 냉간압연에 따른 파괴인성의 변화가 큰 것을 알 수 있다.
또한, JIC 값이 수렴하는 중성자 조사량은 시험 재료의 종류에 따라 다소 차이가 있는데, 인장물성과 유사하게 5∼10 dpa 이상에서 JIC 값이 수렴하는 경향을 보였다.
비교 결과 냉간가공을 통해 중성자 조사된 오스테나이트 스테인리스강의 미세조직을 완벽하게 모사하지는 못하지만, 거시적으로 중성자 조사된 오스테나이트 스테인리스강의 강도 증가, 연성과 파괴인성 감소 현상은 적절히 모사하는 것으로 확인되었다. 또한, 냉간가공된 TP316L 스테인리스강의 반복변형 거동과 중성자 조사된 오스테나이트 스테인리스강의 반복변형 거동이 거의 일치하는 것을 확인하였다. 따라서, 냉간가공된 오스테나이트 스테인리스강을 이용하여 중성자 조사된 오스테나이트 스테인리스강의 변형 및 손상거동 평가하는 것이 타당한 것으로 판단된다.
반면, 중성자 조사된 TP304 스테인리스강에서는 시편에 작용된 변형률진폭이 작은 조건(εa = 0.3%)을 제외하면, 초기부터 반복하중이 작용됨에 따라 응력진폭이 지속적으로 감소하는 경향을 보였다.
반면, 큰 변형률진폭조건 ( εα = 0.8, 1.2%)에서는 반복경화 현상이 안정화되다 다시 응력진폭이 증가하는 2차 경화 현상을 보였다.
본 논문에서는 냉간가공을 통해 중성자 조사된 오스테나이트 스테인리스강의 기계적물성을 모사 할 수 있는지를 확인하기 위해서, 33 % 냉간압연된 TP316L 스테인리스강의 표준 인장시험, J-R 파괴인성시험, 그리고 반복 응력-변형률 시험 결과를 중성자 조사된 오스테나이트 스테인리스강의 인장 물성, 파괴인성, 그리고 반복변형 거동과 비교하였다. 비교 결과 냉간가공을 통해 중성자 조사된 오스테나이트 스테인리스강의 미세조직을 완벽하게 모사하지는 못하지만, 거시적으로 중성자 조사된 오스테나이트 스테인리스강의 강도 증가, 연성과 파괴인성 감소 현상은 적절히 모사하는 것으로 확인되었다. 또한, 냉간가공된 TP316L 스테인리스강의 반복변형 거동과 중성자 조사된 오스테나이트 스테인리스강의 반복변형 거동이 거의 일치하는 것을 확인하였다.
연신률은 조사량이 증가함에 따라 급감하다 5∼10 dpa 이상에서 수렴하는 경향을 보였으며, 수렴된 상태에서 균일연신률은 약 0∼ 5 %, 총 연신률은 ∼10 % 정도의 값을 보였다.
33%의 압연율은 냉간압연된 TP316 스테인리스강⁽⁸⁾과 중 성자 조사된 오스테나이트 스테인리스강의 인장물 성치^(13,14)비교를 통해 오스테나이트 스테인리스강 에서 중성자 조사에 따른 재료물성의 변화가 포화 되는 조사선량에서 결정되었다. 즉, 33%의 압연율 은 10 dpa 이상의 중성자 조사에 의한 재료물성치 변화를 기대할 수 있는 조건에서 결정되었다.
10에서 중성자 조사된 TP304 스테인리스강의 시험 결과를 비교하면, 반복하중 조건에 서 변형거동이 거의 유사한 것을 알 수 있다. 즉, 냉간압연된 재료와 중성자 조사된 재료에서 모두 반복하중 초기부터 연화거동을 보였다. 앞서 언급 한 바와 같이 냉간압연된 오스테나이트 스테인리스강에서 반복연화 거동은 반복하중에 따른 슬립띠의 생성, 교차슬립의 발생, 그리고 전위의 재배 열등에 기인하는 것으로 알려져 있다.
이후의 변형 거동은 시편에 작용된 변형률진폭의 크기에 따라 응력진폭이 감소하거나 일정한 값을 유지하였다. 즉, 반복연화 거동을 보이거나 반복경화 현상이 안정화되는 경향을 보였다. 반면, 중성자 조사된 TP304 스테인리스강에서는 시편에 작용된 변형률진폭이 작은 조건(ε_a = 0.
10에서 알 수 있는 바와 같이 조사되지 않은 TP304 스테인리스강에서는 초기 수십 사이클 동안 반복하중에 따라 응력진폭이 증가하였으며, 시편에 작용된 변형률진폭이 클수록 응력진폭의 증가가 뚜렷하였다. 즉, 초기 수십 사이클 동안은 반복경화 현상을 보였으며, 반복경화 현상은 변형률진폭이 클수록 뚜렷하였다. 이후의 변형 거동은 시편에 작용된 변형률진폭의 크기에 따라 응력진폭이 감소하거나 일정한 값을 유지하였다.
특히 인장강도 (TS, Tensile Strength)에 비해 항복강도 (YS, Yield Strength)의 증가 현상이 뚜렷하였으며, 총연신률 (TE, Total Elongation)에 비해 균일연신률 (UE, Uniform Elongation)이 큰 감소를 보였다.

후속연구

따라서, 냉간가공된 오스테나이트 스테인리스강을 이용하여 중성자 조사된 오스테나이트 스테인리스강의 변형 및 손상거동 평가하는 것이 타당한 것으로 판단된다. 다만, 중성자 조사량과 냉간압연율에 따른 기계적물성의 변화 정도를 정량적으로 비교하기 위해서는 보다 다양한 냉간압연 조건에서 추가 시험이 필요한 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	경년열화가 발생하는 원인은?	원자력발전소(이하 원전)의 기기와 설비는 장시간 운전에 의해 기계적 또는 재료적 원인으로 경년 열화될 수 있다. (1) 특히, 원자로 주위에 설치된 기기와 설비들은 운전 중고에너지 중성자에 노출됨에 따라 중성자 조사에 의한 경년열화가 발생된다. (1-4) 즉, 중성자 조사에 의해 재료의 강도가 증가하고 연성과 인성이 감소하는 등 기계적물성이 변화된다.
	경년열화 발생에 대비하여 신뢰성을 확보하기 위해 선행되어야 하는 일은?	(2,3) 또한, 중성자 조사량이 높은 경우에는 조사 크립 (Creep)과 팽윤 (Swelling) 등에 의해 형상이 변화하고 이로 인한 응력상태의 변화도 나타날 수 있다. (5) 따라서, 이들 기기와 설비에 대한 신뢰성 있는 구조건전성 평가를 위해서는 중성자 조사에 따른 재료의 물성 변화, 손상거동 변화, 그리고 응력 변화 등을 정확히 파악하고, 이를 평가시 적절하게 반영하는 것이 중요하다. 따라서, EPRI 등(6)은 원전의 주요 재료에 대한 중성자 조사 량에 따른 인장물성, 파괴인성, 조사 크립과 팽윤, 그리고 IASCC 생성 및 성장 등과 같은 재료물성 데이터를 제공하고 있으며, 이들 데이터는 장기 가동 원전에서 주요 기기와 설비의 구조건전성 평가시 입력으로 적용되고 있다.
	중성자 조사량이 높은 경우 일어나는 일은?	(2-4) 뿐만 아니라 중성자 조사로 인해 결정립 계의 석출물 생성과 불순물 편석 등 미세조직적인 변화가 발생되며, 미세조직 변화는 기기 및 설비의 부식 거동과 응력부식균열 (IASSC, Irradiation Assisted Stress Corrosion Cracking) 민감도에 영향을 미친다. (2,3) 또한, 중성자 조사량이 높은 경우에는 조사 크립 (Creep)과 팽윤 (Swelling) 등에 의해 형상이 변화하고 이로 인한 응력상태의 변화도 나타날 수 있다. (5) 따라서, 이들 기기와 설비에 대한 신뢰성 있는 구조건전성 평가를 위해서는 중성자 조사에 따른 재료의 물성 변화, 손상거동 변화, 그리고 응력 변화 등을 정확히 파악하고, 이를 평가시 적절하게 반영하는 것이 중요하다.

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저자의 다른 논문 :

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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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