[논문]소형 샤르피 충격시험편에서의 파괴응력에 관한 연구

남승훈; 김엄기; 이대열; 김시천

문제 정의

본 연구는 종래의 표준 시험편의 약 1/8 정도인 소형 시험편을 사용하여 터빈 로터강의 표준 시험편의 DBTT 열화정도를 평가하는데 그 목적을 두고 있다. 소재의 인공적인 열화를 위해 등온 열처리를 행하였으며, 열화에 따른 파괴응력과 연성취성천이온도의 변화 특성을 연구하였다.
본 절에서는 계장화 충격시험에서 얻은 데이터로부터 벽개 파괴응력을 결정하는 방법에 대해 서술하고자 한다.
있다. 소재의 인공적인 열화를 위해 등온 열처리를 행하였으며, 열화에 따른 파괴응력과 연성취성천이온도의 변화 특성을 연구하였다.

제안 방법

25V 강으로서 이 소재의 화학적 성분과 기계적 물성은 참고문헌 7에 나타나 있다. 로터강의 경우 실제 발전소에서 사용된 열화 재를 종류별로 입수하는 것은 매우 어렵기 때문에 실제로 열화된 재료의 미세조직과 유사한 미세조직을 갖는 시료를 얻기 위해서 인위적으로 실제 사용온도(538℃)보다 높은 온도(630℃)에서 등온 열화 처리하였다. 이때 소요되는 열화시간은 Fe 의 자기 확산(self diffusion) 이 론에 근거 하여 각 온도에서의 Fe 확산량이 같은 조건에서 결정하였으며 % 열처 리시간은 참고문헌 7에 기술되어 있다.
즉, 두 동강난 샤르피 표준 충격시험편의 각각의 반쪽으로부터 소형 충격시험편을 4 개씩 모두 8개를 만들었다. 모든 시험편은 T-L 방향성을 갖는 모재로부터 채취하였는데 시험편의길이 방향이 압연 방향에 수직한 방향이며 결정립의 신장방향은 균열성장방향과 같은 방향으로 하였다.
충격흡수에너지는 시험편 파단후 해머의 초기 위치에너지의 손실로부터 측정된다. 시험편의 시험온도변화는 충격흡수에너지 변화의한 요인이 되므로 충격시험을 할 때 항온을 유지하기 위해 각각의 시험편을 시험에 앞서 시험온도에서 적어도 10분 이상 2℃이내의 온도에서 유지시킨 후 항온조로부터 끄집어내어 5초 이내에 충격시험을 완료하였다.
따라서, 더 근본적으로 충격특성을 파악하기 위해서는 계장화된데이터를 분석하는 접근법 등의 수행이 필요호]■다. 이를 위해서 계장화 데이터로부터 동적 항복강도와 벽개 파괴응력을 결정하는. 방법에 대해서 일부 연구자들©이 연구를 수행한 적이 있다
소형 시험편의 길이는 striker 가 앤빌을 지나가기에충분할 정도의 너비를 가질 수 있도록 하였으며, 소형 시험편의 크기는 대략 표준 시험편 크기의 1/8 정 도이다. 즉, 두 동강난 샤르피 표준 충격시험편의 각각의 반쪽으로부터 소형 충격시험편을 4 개씩 모두 8개를 만들었다. 모든 시험편은 T-L 방향성을 갖는 모재로부터 채취하였는데 시험편의길이 방향이 압연 방향에 수직한 방향이며 결정립의 신장방향은 균열성장방향과 같은 방향으로 하였다.
측면 홈을 가진 것과 갖지 않은 소형 Charpy 충격시험편을 이용하여 lCr-lMo-0.25V 강의 DBTT 열화 평가를 시도하였으며 연구결과는 다음과 같다. (1) 열화된 터빈 로터강 표준 시험편의 DBTTstan 은 1/8 크기의 측면 홈을 가진 소형 시험편의 시험결과로부터 직접 얻을 수 있다.
1에 나타내었다. 표준 크기 시험편의 크기는 ASTM E-23®을 따랐으나, 소형 시험편에는 유용한표준절차가 없으므로 본 연구에서 사용된 소형 시험편의 크기는 다른 연구자3의 제안을 따랐다. 소형 시험편의 길이는 striker 가 앤빌을 지나가기에충분할 정도의 너비를 가질 수 있도록 하였으며, 소형 시험편의 크기는 대략 표준 시험편 크기의 1/8 정 도이다.

대상 데이터

시험 데이터는 Dynatup 사에서 개발한 중격시험용 소프트웨어를 이용하여 저장과 분석을 위해 개인용 컴퓨터로 옮겨졌다. Fig.
시험에 사용된 강재는 화력발전소 터빈로터에많이 사용되는 lCr-lMo-0.25V 강으로서 이 소재의 화학적 성분과 기계적 물성은 참고문헌 7에 나타나 있다. 로터강의 경우 실제 발전소에서 사용된 열화 재를 종류별로 입수하는 것은 매우 어렵기 때문에 실제로 열화된 재료의 미세조직과 유사한 미세조직을 갖는 시료를 얻기 위해서 인위적으로 실제 사용온도(538℃)보다 높은 온도(630℃)에서 등온 열화 처리하였다.
충격시험에는 앤빌(anvil)의 조절이 가능하며 해머의 무게 또한 4 단계로 조절이 가능한 SATEC 사에서 제작한 샤르피 충격시험기(최대용량 33.9 Joule)를 사용하였다. 소형 시험편에 관해서는 시험 편 받침 대 간격 과 충격날 두께의 감소가 필요하며, 기본적인 실험 매개변수(parameter)를 Table 1 에서 비교하였다.

이론/모형

소형 시험편에 관해서는 시험 편 받침 대 간격 과 충격날 두께의 감소가 필요하며, 기본적인 실험 매개변수(parameter)를 Table 1 에서 비교하였다. 시험온도, 정렬 정확도(alignment accuracy)와 가공 허용오차(machining tolerances)에관한 절차는 참고문헌 °)의 규정을 따랐다.

성능/효과

25V 강의 DBTT 열화 평가를 시도하였으며 연구결과는 다음과 같다. (1) 열화된 터빈 로터강 표준 시험편의 DBTTstan 은 1/8 크기의 측면 홈을 가진 소형 시험편의 시험결과로부터 직접 얻을 수 있다.
(3) 파괴응력은 50, 000시간 열화재까지는 감소하는 경향을 보였으나 그 이상의 열화시간에서는변하지 않았다. 따라서 파괴응력은 DBTTg„의 변화 특성과 유사한 양상을 보였다.
따라서 표준 시험편을 채취할 수 없을 만큼 소재가 제한적일 경우, 소형 시험편 기술이 파괴 인성 평가의 대안으로서 유용하게 사용될 수 있다는 것이 확인되었다.
4는 표준 시험편과 소형 시험편에서 얻은 DBTT 의 상관관계를 나타낸 것이다. 소형 노치시험편의 DBTT 는 표준 노치 시험편의 DBTT 에비해 평균 약 20℃정도 저온측으로 이동하였지만측면 홈을 가진 소형 노치 시 험편의 DBTT 는 표준 노치 시 험편의 DBTT 와 비슷하게 나타났다. 이것은 측면 홈을 가진 소형 시험편의 파괴면에서의 변형률 구속이 표준 시험편에서와 유사하다는것을 뜻한다.
그리고 열화도가 증가할수록 DBTT 는 정성 적으로 볼 때 고온쪽으로 이동하고 있음을 알 수 있다. 이로서 충격시험에서 얻은 데이터를 표준화하는데 파괴용적으로 Bb2보다는 Bbe 이 lCr-lMo-0.25V 강에서 더 유용하다는 것을 알 수 있다.
3(a)에 는 시험 온도의 함수로서 측면 홈을 갖지 않은 것과 측면 홈을 가진 소형 시험편의 충격 흡수에너지도 함께 나타내고 있다. 표준 시험 편의시험 결과와 비교하여 소형 시험편에서의 USE 는 표준 시험편 USE 의 약 10-15% 수준에 이르고 있음을 알 수 있다. 이것은 앞서 기술한 바와 같이 시험편의 크기 축소에 따른 파괴용적의 감소로 발생한 현상이다.

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