[논문]고온 저주기 피로에 의한 STS 304 압연강재의 특성연구

김치환; 박영민; 배문기; 신동철; 김대원; 김태규

doi:10.12656/jksht.2019.32.1.12

고온 저주기 피로에 의한 STS 304 압연강재의 특성연구
Characteristics of STS 304 Rolled Steel by High Temperature Low Cycle Fatigue 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.32 no.1, 2019년, pp.12 - 16

김치환 (부산대학교 나노융합기술학과) , 박영민 (부산대학교 나노융합기술학과) , 배문기 (부산대학교 나노융합기술학과) , 신동철 (거제대학교 기계공학과) , 김대원 (신라대학교 지능형자동차공학부) , 김태규 (부산대학교 나노메카트로닉스공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, strain-controlled low cycle fatigue test for hot rolled STS304 steel was carried out at $400^{\circ}C$ and $600^{\circ}C$, respectively. High temperature fatigue test was done using an electric furnace attached on the hydraulic fatigue test machine. The results of this study show that STS304 hot rolled steel has excellent static strength and fatigue characteristics. The hysteresis loop at half life was obtained in order to calculate the elastic and plastic strain. Also, Relationship between strain amplitude and fatigue life was examined in order to predict the low cycle fatigue life of STS304 steel by Coffin-Manson equation.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Dimension of the specimen (unit : mm).
표 Table 1. Chemical composition of STS 304 steel
표 Table 2. Low cycle fatigue test conditions of STS 304 steel
그림 Fig. 2. Hysteresis loop with total strain at ε=0.6%.
그림 Fig. 3. Hysteresis loop with total strain at ε=0.8%.
그림 Fig. 4. Hysteresis loop with total strain at ε=1.0%.
그림 Fig. 5. Strain-life curves of STS 304 at 600°C.
그림 Fig. 6. Strain-life curves of STS 304 at room tem-perature.
그림 Fig. 7. Strain-life curves of STS 304 at 400°C.
표 Table 3. Low cycle fatigue test data at room temperature
표 Table 4. Low cycle fatigue test data at 400°C
표 Table 5. Low cycle fatigue test data at 600°C

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 화학 플랜트 및 발전소의 구조용 강으로 널리 사용되어지는 STS 304 압연강재의 상온 및 고온에서 저주기 피로시험을 통하여 저주기피로물성을 평가하였다.

제안 방법

본 연구에서는 STS 304 압연강재의 고온 저주기피로시험을 통하여 저주기 피로특성을 알아보았다. 이 결과를 이용하여 STS 304 압연강재의 저주기피로시험 조건을 설정하였으며, 저주기 피로수명 예측평가는 Coffin-Manson식을 통해 평가하였고 다음과 같은 결과를 얻었다.
고온 저주기 피로시험을 위해 상, 중, 하 부위에 thermal couple로 온도를 측정하여 온도조절이 가능한 전기로를 사용 하였다. 시험편의 온도 편차를 줄이기 위하여 실제 시험편의 gage length 부분에 thermal couple을 추가로 설치하여 시험편의 온도를 측정하였다.

대상 데이터

STS 304 강재는 내식성 및 내열성이 뛰어나고,가공성이 좋아 발전소의 구조용 강재로 널리 사용되어지는 소재이다. 본 연구에서는 STS 304 강재의 강도를 향상시키기 위하여 열간 압연된 강재를 사용하였다.

이론/모형

안정화된 히스테리시스 곡선에서의 탄성 변형률 및 소성 변형률을 계산하여 선형회귀해석을 통해 저주기피로특성치를 계산하였다. 선형회귀해석에 이용된 식은 Coffin-Manson에 의해 제안된 변형률-수명식을 이용하였다. Table 3~5에 나타낸 저주기 피로수명 데이터를 이용하여 linear fitting을 통해 변형률-수명 곡선으로 Fig.
저주기 피로시험을 위해 시험편은 직경이 6 mm인 봉상형 시험편으로 ASTM-E606 규격에 따라 시험편을 정밀가공하였다[3]. 피로시험의 경우 표면 거칠기에 따라 시험편의 파단사이클이 달라질 수 있기 때문에, 저주기 피로시험 시 표면거칠기에 의한 영향을 없애기 위해서 가공된 시험편 표면에 emery paper를 이용하여 #2000까지 정밀연마를 수행하였다.

성능/효과

1. 소성변형률을 계산하기위해 구한 반수명에서의 히스테리시스 곡선에서 최대인장응력은 실험온도가 높아짐에 따라 감소하였다.
2. Coffin-Manson 식에 따른 linear fitting을 통해 얻은 고온에서의 Strain-life 곡선은 상온상태 보다 소성변형률이 저주기 피로수명에 미치는 영향이 크다고 할 수 있다.
3. 저주기 피로수명에 영향을 미치는 탄성변형률과 소성변형률 사이의 천이수명이 상온 및 600℃에 비해 400℃에서 70,596 cycle로 더 높게 나타남을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	STS304 소재란 무엇인가?	STS304 소재는 18Cr-8Ni-Fe 합금으로 대표적인 austenite계 스테인리스 강으로 내식성과 가공성이 우수하여 화학 플랜트, 발전소 등의 구조용 강으로 널리 사용되는 강재이다. 화학 플랜트 및 발전소 등에 사용되어지는 구조용 강은 장비의 가동 및 정지에 따른 갑작스런 큰 응력을 받게 되고, 이러한 응력에 의한 파손사고가 많은 인명 및 재산 피해를 초래하기 때문에 구조용 강의 설계 및 제작에 높은 신뢰성이 요구 된다.
	화학 플랜트 및 발전소 등에 사용되는 구조용 강이 갖춰야 할 것은?	STS304 소재는 18Cr-8Ni-Fe 합금으로 대표적인 austenite계 스테인리스 강으로 내식성과 가공성이 우수하여 화학 플랜트, 발전소 등의 구조용 강으로 널리 사용되는 강재이다. 화학 플랜트 및 발전소 등에 사용되어지는 구조용 강은 장비의 가동 및 정지에 따른 갑작스런 큰 응력을 받게 되고, 이러한 응력에 의한 파손사고가 많은 인명 및 재산 피해를 초래하기 때문에 구조용 강의 설계 및 제작에 높은 신뢰성이 요구 된다.
	구조물에 사용되는 재료의 물성 확보가 중요한 이유는?	구조물의 설계, 제작을 위해서 선행되어야 할 중요한 연구로는 구조물에 사용되어지는 재료의 물성을 확보하는 것이 매우 중요하다. 단일 인장 및 압축하중에 의한 파손은 설계를 통해 거의 발생하지 않지만, 반복하중에 의한 파손사례는 종종 보고되어 진다. 반복하중에 의한 피로파손의 경우 항복응력 이하의 응력에서도 발생하는 경우가 종종있다. 따라서 사고발생의 사전예후를 발견하기 어렵고, 사고발생 시 큰 인명피해를 가져올 수 있으므로 설계 시에 반복 응력에 의한 피로강도 물성특성을 확보하는 것은 매우 중요하다[1, 2].

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