[논문]Type 316L 스테인리스강의 고온 기계적 거동

김우곤; 이형연

doi:10.20466/kpvp.2020.16.1.092

Abstract ▼ AI-Helper

High-temperature mechanical behaviors of Type 316L stainless steel (SS), which is considered as one of the major structural materials of Generation-IV nuclear reactors, were investigated through the tension and creep tests at elevated temperatures. The tension tests were performed under the strain r...

High-temperature mechanical behaviors of Type 316L stainless steel (SS), which is considered as one of the major structural materials of Generation-IV nuclear reactors, were investigated through the tension and creep tests at elevated temperatures. The tension tests were performed under the strain rate of 6.67×10-4 (1/s) from room temperature to 650℃, and the creep tests were conducted under different applied stresses at 550℃, 600℃, 650℃, and 700℃. The tensile behavior was investigated, and the modeling equations for tensile strengths and elongation were proposed as a function of temperature. The creep behavior was analyzed in terms of various creep equations: Norton's power law, modified Monkman-Grant relation, damage tolerance factor(λ), and Z-parameter, and the creep constants were proposed. In addition, the tested tensile and creep strengths were compared with those of RCC-MRx. Results showed that creep exponent value decreased from n=13.55 to n=7.58 with increasing temperature, λ = 6.3, and Z-parameter obeyed well a power-law form of Z=5.79E52(σ/E)9.12. RCC-MRx showed lower creep strength and marginally different in creep strain rate, compared to the tested results. Same creep deformation was operative for dislocation movement regardless of the temperatures.

주제어

표/그림 (13)

표 Table 1 Chemical composition of Type 316L SS (wt.%)
그림 Fig. 1 Variations of tensile strengths as a function of temperature of Type 316L SS
그림 Fig. 2 Variations of tensile elongation with temperatures of Type 316L SS
$Fig. 3 Typical ductile fracture surface observed at 500˚C of Type 316L SS$ 그림 Fig. 3 Typical ductile fracture surface observed at 500˚C of Type 316L SS
그림 Fig. 4 Typical creep curves obtained for different applied stresses of Type 316L SS at 550˚C
그림 Fig. 5 Plots of log (stress) vs. log (rupture time) at each temperature of Type 316L SS
그림 Fig. 6 Plots of creep strain rates as a function of stress at each temperature
표 Table 2 Constants (A, n) at each temperature
그림 Fig. 7 Rupture elongation with rupture times at each temperature
그림 Fig. 8 Modified M-G plot obtained for Type 316L SS at four temperatures
그림 Fig. 9 The λ value determined for Type 316L SS
$Fig. 10 Typical fractrographs and formed precipitates after creep tests for Type 316L SS: (a)650˚C/140MPa, b)700˚C/90MPa, and (c)700˚C/90MPa$ 그림 Fig. 10 Typical fractrographs and formed precipitates after creep tests for Type 316L SS: (a)650˚C/140MPa, b)700˚C/90MPa, and (c)700˚C/90MPa
그림 Fig. 11 A plot showing a good linearity of Z-parameter as a function of stress for Type 316L SS

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 연구에서는 Type 316L 스테인리스강에 대하여 고온 인장시험 및 크리프 시험을 수행하여 시험 데이터를 얻고 그 거동 특성을 조사하고 일부 결과는 프랑스 설계 코드인 RCC-MRx³데이터와 비교 평가하였다. 또한 크리프 시험 결과에 대하여 다양한 크리프 식을 사용하여 크리프 변형 및 파단 거동을 분석하여 크리프 상수 값들을 제시하였다.

제안 방법

Type 316L 스테인리스강의 고온 인장시험을 상온 에서 650℃까지 수행하고 크리프 시험을 550℃, 600℃, 650℃, 700℃에서 실시하여 시험 데이터를 얻어 인장 및 크리프 거동 특성을 분석하고 시험에서 얻은 고온 물성값을 RCC-MRx 코드 값과 비교한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
데이터와 비교 평가하였다. 또한 크리프 시험 결과에 대하여 다양한 크리프 식을 사용하여 크리프 변형 및 파단 거동을 분석하여 크리프 상수 값들을 제시하였다.

대상 데이터

고온 신장계의 게이지 길이는 25mm로 설정하여 시편에 장착하였으며, 시험 온도는 K타입 열전대를 시편에 부착하여 온도를 측정하고 온도 제어기를 통해 조정하였다. 고온 인장 시편은 직경 9mm, 평행부 길이 45mm의 봉상으로 ASTM E8M⁵에 제시하는 표준시편을 사용하였다.
본 연구에 사용된 Type 316L SS (KAERI plate로표기)의 화학적 성분은 Table 1에 나타내었다. 보통의 Type 316 강은 Type 304 강에서 Mo 원소를 2.
크리프 시험은 레버타입의 일정하중방식 시험기 에서 3-존 전기로를 사용하여 550 ℃, 600℃, 650℃ 및 700℃의 각 온도에서 여러 응력별로 실시하여 일련의 크리프 시험 데이터를 얻었다. 크리프 시편은 지름 6mm, 게이지 길이 30mm의 봉상 시편을 사용하였다. 크리프 시간 경과에 따른 변형률은 시편에 부착된 정밀 신장계(extensometer)를 사용하여 측정하였으며, 실시간 변형률 데이터는 PC를 통해 자동으로 저장하였다.
크리프 시험은 레버타입의 일정하중방식 시험기 에서 3-존 전기로를 사용하여 550 ℃, 600℃, 650℃ 및 700℃의 각 온도에서 여러 응력별로 실시하여 일련의 크리프 시험 데이터를 얻었다. 크리프 시편은 지름 6mm, 게이지 길이 30mm의 봉상 시편을 사용하였다.

이론/모형

선형피팅에 있어서총22개 시험 데이터에 가장 잘 일치시키는 최적의 값은 Q=520(kJ/mol)인 것으로 조사되었다. 그리고 Type 316L 강의 탄성계수(E) 값은 프랑스 RCC-MRx 코드의 A3.3S.22에서 제시한 온도의 함수로부터 결정된 E(MPa)=201660-84.8θ³의 계산식을 사용하였다. 여기서 θ는 온도 (℃)를 나타낸다.

성능/효과

1) Type 316L 강의 온도변화에 따른 고온 인장특 성을 예측할 수 있는 식을 도출하였으며 인장 거동은 RCC-MRx에서의 온도별 변화 경향과 유사한 거동을 보였으며, RCC-MRx 데이터는 YS 값에서 약25%, UTS에서는 약 10% 정도 낮은 것으로 나타났다.
2) Type 316L 강의 크리프 거동은 시험온도가 증가함에 따라서 파단시간은 짧고 크리프 속도는 반대로 빠르며 크리프 파단 연신율은 높은 전형적인 온도 의존성 결과를 보였으며, 크리프 강도는RCC-MRx 보다 높은 타당한 값을 보였다.
3) 본 시험조건에서의 온도별 크리프 지수 값은 n=7.58~13.55 범위로서 온도가 높을수록 감소하는 결과로서 크리프 변형은 비교적 높은 응력조건에서잘 일어나는 전위이동에 의한 크리프 변형이 주도 되는 것으로 분석되었다.
4) Type 316L 강의 손상내성계수(λ) 값은 λ= 6.30 인 것으로 밝혀졌으며, 본 값의 타당성은 연성 파괴가 우세하게 보인 크리프 파면 관찰 결과와 크리프 변형 동안 재료내부에 생성된 조대한 석출물의 관찰 결과로부터 잘 입증되었다.
5) Type 316L 강의 Z-계수는 Z=5.79E52(σ/E)^9.12의 power-law의 1차식을 잘 따르는 것으로 나타났으며, 본 Z-계수 예측식을 이용하면 주어진 크리프 온도에서의 임의의 크리프 응력만 알면 Z-계수 값을 얻을 수있기 때문에 크리프 속도를 편리하게 예측할 수 있다.
본 크리프 강도 결과를 RCC-MRx 코드³에 제시되어 있는 550℃및 600℃결과와 비교하여 보면 (RCC-MRx 에서는 650℃ 및 700℃ 데이터는 없음), 본 시험 결과의 크리프 강도는 RCC-MRx의 평균값 (S_r(moy))보다 높은 값으로 RCC-MRx 는 보수적인 결과임을 알 수 있다. Type 316L 강에서의 본 시험 결과 및 RCC-MRx 데이터에서 주목할 점은 약 1,000시간 이후부터 크리프 강도가 breakdown 되는 경향을 보인다는 것이다. Type 316L 강에서의 이러한 breakdown은 저 탄소 함소량으로 인한 고온강도의 저하 때문인 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Type 316 SS은 무엇인가?	Type 316 SS (stainless steel, UNS S31600)는 크롬(Cr)- 니켈(Ni)-몰리(Mo) 합금으로 18(Cr)-8(Ni) grade의 Type 304 SS1에다 Mo 함량을 새로이 첨가시켜 부식 저항성과 고온특성을 높게 한 것이다. 이러한 Type 316 SS에다 탄소 함유량을 최대 0.
	L-grade의 Type 316L SS (UNS S31603)2는 Type 316 SS에다 탄소 함유량을 얼마나 저감시킨 것인가?	Type 316 SS (stainless steel, UNS S31600)는 크롬(Cr)- 니켈(Ni)-몰리(Mo) 합금으로 18(Cr)-8(Ni) grade의 Type 304 SS1에다 Mo 함량을 새로이 첨가시켜 부식 저항성과 고온특성을 높게 한 것이다. 이러한 Type 316 SS에다 탄소 함유량을 최대 0.03% 이하로 저감시킨 “L-grade”의 Type 316L SS (UNS S31603)2는 입계부식 저항성과 크리프 특성, 제작성과 용접 성이 우수하여 제4세대 원자로 (Generation–IV nuclear reactor) 의 고온 배관, 압력용기나 노내구조물 (reactor internals) 등의 주요 구조재료로 유망하다. Type 316L 강을 제4세대 원자로에 적용하기 위해서는 설계 시 필요한다양한 고온 물성자료들이 구축되어야 하지만 매우 부족하다.
	크리프 시험 물성 자료에 다양한 온도범위까지 확장시키기 위해 필요한 온도의 자료는?	그러나 고온 설계에 필요한 재료물성 시험 자료는 아직 상당부분 불충분하므로 새롭게 구축되어야 한다. 특히 크리프 물성 자료의 경우 RCC-MRx에서는 550℃, 575℃ 및 600 ℃의 3가지 온도에 대한 크리프 강도 자료만 제시되어 있을 뿐 이외의 온도인 500℃, 650℃ 및 700℃ 등에 대한 크리프 강도 자료는 없다. 따라서 크리프 시험 물성 자료를 설계목적에 충분할 정도로 마련하기 위하여 다양한 온도범위까지 확장시키는 것이 필요하다.

참고문헌 (14)

www.aksteel.com, 2007, "304/304L Stainless Steel Data Sheet," 7100-0096 7/07, AK Steel Corporation, OH USA.
www.outokumpu.com, 2014, "Outokumpu High Performance Stainless," 1087EN, Bannockburn USA.
Afcen RCC-MRx Code, 2015, Section III-Tome 1-Subsection Z: Technical Appendics, France.
Afcen RCC-MRx Code, 2018, Section III-Tome 2: Materials, France.
ASTM E8M-17, 2017, "Standard test method for Tension Testing of Metallic Materials," ASTM Standard.
Kim, J.M., Kim, W.G. and Kim, M.C., 2019, "Evaluation of Creep Behaviors of Alloy 690 Steam Generator Tubing Material," Trans. of KPVP, Vol. 14, No.1, pp. 64-70. doi: http://dx.doi.org/10.20466/ KPVP.2019.15.2.064.
ASTM E139-17, 2017, "Standard Test Method for Conducting Creep, Creep-Rupture And Stress Rupture Tests of Metallic Materials," ASTM Standard.
Kim, W.G. Park, J.Y. Ekaputra, I.M.W., Kim, S.J., Kim, M.H. and Kim, Y.W., 2015, "Creep Deformation and Rupture Behavior of Alloy 617," Eng. Fail. Anal., Vol. 58, pp. 441-451.

상세보기
Dobes, F. and Milicka,K., 1976, "The Relation between Minimum Creep Rate and Time to Fracture," Met. Sci. Vol. 10, pp. 382-384.
Monkman, F.C. and Grant, N.J., 1956, "An Empirical Relationship Between Rupture Life and Minimum Creep Rate in Creep Rupture Tests," ASTM Proc., Vol. 56, pp. 593-620.
Guguloth, K. and Roy, N., 2017, "Creep Deformation Behavior of 9CrMoVNb (ASME Grade 91) Steel," Mater. Sci. Eng. A., Vol. 680, pp. 386-404.
Choudhary, B.K., 2013, "Tertiary Creep Behaviour of 9Cr-1Mo Ferritic Steel," Mater. Sci. Eng. A., Vol. 585, pp. 1-9.

상세보기
B.K. Choudhary, E. Issac Samual, 2011, "Creep Behavior of Modified 9Cr-1Mo Ferritic Steel," J. Nucl. Mater, 412, pp. 82-89.

상세보기
Benz, J.K. Carroll, L.J., Wright, J.K., Wright, R.N. and Lillo, T.M., 2014, "Threshold Stress Creep Behavior of Alloy 617 at Intermediate Temperature," Metall. Mater. Trans. A, Vol. 45A, pp. 3010-3022.

상세보기

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

Type 316L 스테인리스강의 고온 기계적 거동
High-Temperature Mechanical Behaviors of Type 316L Stainless Steel 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (13)

표/그림 (13)

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (14)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

Type 316L 스테인리스강의 고온 기계적 거동 High-Temperature Mechanical Behaviors of Type 316L Stainless Steel 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (13) 모든 표/그림 보기

표/그림 (13) 슬라이드로 보기

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (14)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김우곤 (32) 이형연 (32)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

Type 316L 스테인리스강의 고온 기계적 거동
High-Temperature Mechanical Behaviors of Type 316L Stainless Steel 원문보기

표/그림 (13)

표/그림 (13)

AI 본문요약
AI-Helper