[논문]핵융합로용 저방사화 철강재료(JLF-1)의 강도와 파괴인성

윤한기; 김동현; 이상필; 박이현; 공유식

제안 방법

이들재 료를 이 용한 핵융합로 블랭 킷 (blanket) 과 제 1 벽 같은 구조물 제작시 용접공정은 필수적이므로, 모재의 특성뿐만 아니라 용접부의 성질 또한 중요시되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 JLF-1 페 라이트강을 TIG 용접 하여 용접 부와 모재 의 각 방향에 대해서 상온 및 사용온도 400 °C 에서의 인장시험과 Micro-Vickers 경도 시험을 실시하여 JLF-1 의 온도와 TIG용접, 압연방향에 따른 영향을 평가하였고, JLF-1 모재의 탄소성파괴인성(J_ic) 시험을 실시하여 중성자 조사 이전의 파괴 인성 데이터를 확보하였으며, 각 파단면은 SEM을 이용하여 관찰하였다. 이들 결과는 핵융합로의 블랭킷과 제1벽의 구조재 개발과 적용을 위한 기초적 설계자료로 그 기여도가 클 것으로 전망된다.
인장시험편은 환봉으로 가공하였으며, 파괴인성 시험편은 CT 시험편으로 가공하였다. 또한, CT 시험편의 경우 균열의 진행방향을 구속함과 동시에 측면 홈에 대한 영향을 관찰하기 위해 0%, 20%, 40%의 측면홈을 가공하였다. 인장시 험편과 CT 시험편의 형상과 치수는 Fig.
2.2 시험방법

시험편의 실제사용온도인 상온 및 400 °C에서의 시험을 위해 고온(400 C)에서의 인장 및 파괴 인성시험은 전기로내에 시험편을 위치시킨 후 시험 편 주위 에 Chromel - Alumel 열전대를 부착하여 시험편 표면온도를 ±1 C 의 오차범위 내에서 제어하였다. 인장시험과 파괴인성 시험은 최대하중 10tonf 의 동적유압 피로시험기 (MTS Model810) 를 사용하였으며, 하중속도는 0.
인장시험과 파괴인성 시험은 최대하중 10tonf 의 동적유압 피로시험기 (MTS Model810) 를 사용하였으며, 하중속도는 0.1mm/min 으로 일정하게 제어 하여 수행 하였다. 파괴 인성시 험편의예균열은 MTS 810(10tonf) 피로시험기를 이용하여 예 균열 길이 3 mm 를 삽입하였으며, ASTM E1820 에 따라 파괴인성시험을 수행하였다.
일미간의 연구협력사업을 통하여 Kohyama3_'6₎와 Hasegawa5₎등이 개 발 중에 있는 Fe-Cr-W 형 의 저 방사화 페라이트 강 계 열은 600 °C 이하 온도에서 고온 강도가 오스테나이트계 (STS 304, 316) 보다 우수한 특성을 확보하기 위해 2.23~12wt%Cr 을 함유한 페라이트강을 제작하였다. 이러한 일련의 페 라이트강 시 리 즈를 JLF (Japanese Low Activati on Ferritic Steel) 라 칭 하고 있다.
1mm/min 으로 일정하게 제어 하여 수행 하였다. 파괴 인성시 험편의예균열은 MTS 810(10tonf) 피로시험기를 이용하여 예 균열 길이 3 mm 를 삽입하였으며, ASTM E1820 에 따라 파괴인성시험을 수행하였다. Micro Vickers 경 도는 10 N의 하중으로 Akashi 社의 MVK-HVL 경도시험기를 이용하여 측정하였다.
Micro Vickers 경 도는 10 N의 하중으로 Akashi 社의 MVK-HVL 경도시험기를 이용하여 측정하였다. 파단후 각 조건에서의 시험편 파단면은 주사전자 현미 경 (Scanning Electron Microscopy; SEM) 을 이용하여 관찰하였다.
핵융합로 수냉 블랭킷에 사용되는 저방사화 페라이트 강 (JLF-1) 을 TIG 용접 한 후 인장시험, Micro Vickers 경도시험, 탄소성파괴인성 (Jic) 시험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

2 mm 이며, 용접 금속과 용가재 , JLF-1 모재 의 화학조성 은 Table 2 에 정리하였다. 용접쿠폰은 740C에서 3시간 동안 노 냉하여 용접후 열처리를 하였고, 용접 및 열처리가 마무리된 용접쿠폰으로부터 인장 시험편과 파괴 인성 시험편을 Fig. 1과 같이 채취하였다. 인장시험편은 환봉으로 가공하였으며, 파괴인성 시험편은 CT 시험편으로 가공하였다.
1과 같이 채취하였다. 인장시험편은 환봉으로 가공하였으며, 파괴인성 시험편은 CT 시험편으로 가공하였다. 또한, CT 시험편의 경우 균열의 진행방향을 구속함과 동시에 측면 홈에 대한 영향을 관찰하기 위해 0%, 20%, 40%의 측면홈을 가공하였다.

성능/효과

1. TIG 용접에 의한 용접금속 중앙부의 Micro Vickers 경도는 JLF-1 모재 보다 약 21 % 우수하게 나타났다.
2. 상온에서의 최대인장강도는 용접부의 직각 방향 시험편(TWT, 588 MPa), 모재(TMT, 600 MPa/ TML, 630 MPa), 용접 금속(TWL, 727 MPa)의 순으로 증가하였고, 연신율은 TWT(21.7%), TWL(23.8 %), 모재(TML, 27.8%/TMT, 27.9%)의 순으로 증가하였다. 400 °C 의 경우, 모재 TMT = 519MPa, TML = 519 MPa, 용접부 TWT = 588 MPa, TWL = 646 MPa의 최 대 인장강도를 나타내 었다.
도출이 불가능한 것으로 판단되었다. 20% 측면 홈 시험편은 J_q 값을 평가 할 수는 있었으나 40% 측면홈 시험 편에 비 해 J_q값이 FML재 의 경우 약 10%, FMT재의 경우 약 12.5% 정도 과대 평가되었다. 즉, 측면홈의 깊이가 증가할수록 파괴 저항 곡선이 낮아졌으며, JLF-1 의 경우 측면홈을 40% 로 할 때 ASTM E1820 규정 을 만족하는 정량적인 탄소성파괴인성치를 얻을 수 있었다8₎.
3. 40% 측면홈을 가지는 JLF-1 시험편은 상온과 고온에 서 각각 530 kJ/m2 와 340 kJ/m2 이 상의 우수한 파괴인성치를 나타내었으며, 온도가 증가할수록 Jic 가 감소하는 현상을 보였다. FML 시험편에 대 한 상온과 400C 에서 의 Jic 값은 FMT 시험 편 보다 각각 20.
4. 인장파면의 경우, 연성파괴의 대표적 양상인컵앤콘(cup and cone) 파괴가 모든 시험편에서 관찰 되었으며, 고온의 경우 파단면전체에 걸쳐 미소 공동의 합체에 의한 딤플 (dimple) 파괴를 보였다. 그러나, 상온 시험편에서는 방사상의 패턴을 가지는 수 개의 예리한 균열을 형성하였다.
40% 측면홈을 가지는 JLF-1 시험편은 상온과 고온에 서 각각 530 kJ/m2 와 340 kJ/m2 이 상의 우수한 파괴인성치를 나타내었으며, 온도가 증가할수록 Jic 가 감소하는 현상을 보였다. FML 시험편에 대 한 상온과 400C 에서 의 Jic 값은 FMT 시험 편 보다 각각 20.97 % 와 36.09% 높게 나타나 FML이 FMT 보다 균열진전에 대한 저항특성 이 높음을 알 수 있었다.
5 mm를 기점으로 상온의 파괴 저항 곡선이 고온보다 상당히 높게 위치하여 JLF-1 의 J_q 와파괴저항곡선이 온도의존성이 있음을 나타내었다. FML 시험편의 상온과 400 C 에서 의 J_ic 값은 각각 573.9 kJ/m2 와 537.6 kJ/m2 으로 나타나 온도가 증가되 면서 J_ic 가 10.16% 감소하였고, FMT 시험편의 경우 상온에서 J_ic = 453.5 kJ/m2 이 었던 것이 400 C 에서는 J_ic = 343.6 kJ/m2 로 나타나 37.29 % 감소되 었다. 즉, FML시 험 편에 비 해 FMT 시험편의 온도의존성이 더 큼을 알 수 있었다.
8 에 나타내 었다. 균열진전량 0.5 mm를 기점으로 상온의 파괴 저항 곡선이 고온보다 상당히 높게 위치하여 JLF-1 의 J_q 와파괴저항곡선이 온도의존성이 있음을 나타내었다. FML 시험편의 상온과 400 C 에서 의 J_ic 값은 각각 573.
인장강도 측면에서 모재의 경우 방향성의 영향은 거의 없었고, 용접부의 경우 모재에 비해 연신율은 저하되었지만 TIG 용접에 의해 보다 우수한 강도를 확보할 수 있었다. 그리고, 모재와 용접부는 온도가 증가할수록 강도와 연신율이 감소하는 현상을 나타내었다.
즉, JLF-1 모재는 압연방향에 대한영향을 거의 받지 않았고, TIG 용접으로 연신율은 감소되었지만 강도는 유사하거나 향상됨을 알 수 있었다. 또한, 온도가 증가할수록 강도와 연신율이 감소하는 현상을 보였는데, 이는 일본에서 개발된 8Cr-2W 조성의 또 다른 저방사화 페라이트 강인 F82H₇₎가 온도가 증가할수록 강도가 감소하고, 연신율은 400C 부근에서 가장 낮게 나타났으며, 400C 이상에서는 연신율이 다시 증가하는 것과 유사한 형태를 보였다. 이들 두 재료의 이 같은 현상은, 온도증가에 따른 재료의 연화 현상과 함께 철강이 특정온도에서 나타내는 청열취성(blue brittlen- ess)에 의한 것으로 사료된다.
그림에서 알 수 있듯 모재 (BM) 에 비해 용접금속 (WM) 에서 경도치가 아주 높게 나타났다. 모재의 경도는 약 Hv 190 정도이며, 용접금속의 경우는 약 Hv240 정도로서 모재부의 경도에 비해 큰 값으로 상승되었음을 알 수 있었다. 이 는 TIG 용접 시 용접 면에서의 가열과 급냉 및 열처리 효과로 인한 경도치 증가로 생각된다.
09% 높은 파괴 인성 치를 보였다. 비록 JLF-1 모재의 인장특성은 유사하게 나타났으나, 파괴인성 측면에서는 압연 방향이 직각 방향보다 그 특성이 높음을 알 수 있었다.
8 %로 가장 높았으며 , UTS 는 630 MPa 로 TWL보다 낮았지 만 다른 재료들과 유사한 강도를 보였다. 용접부를 포함하며, 압연방향에 대한 직각방향 시험편(TWT)은 최 대 인장강도 590 MPa, 0.2% offset 강도 445 MPa, 연신율 21% 로 나타나 모재 및 용접부에 비해 TWT 의 강도 및 연신율이 가장 낮게 나타났으며 TWT, 모재 (TML, TMT), TWL의 순으로 강도가 증가함을 알 수 있었다. TWT의 경우 항상 열영향부(HAZ) 에서 파단되었으며, 이는 TWT의 인장 특성이 HAZ 의 강도와 연신율에 의해 결정되는 것으로 생각된다.
400 °C 의 경우, 모재 TMT = 519MPa, TML = 519 MPa, 용접부 TWT = 588 MPa, TWL = 646 MPa의 최 대 인장강도를 나타내 었다. 인장강도 측면에서 모재의 경우 방향성의 영향은 거의 없었고, 용접부의 경우 모재에 비해 연신율은 저하되었지만 TIG 용접에 의해 보다 우수한 강도를 확보할 수 있었다. 그리고, 모재와 용접부는 온도가 증가할수록 강도와 연신율이 감소하는 현상을 나타내었다.
5 는 JLF-1 모재와 용접부의 압연방향과 직각 방향에 대한 상온과 고온에서의 응력과 크로스헤드(cross-head) 변위 관계를 나타낸 것이다. 전반적으로 유사한 최대인장강도 (UTS) 를 나타내고 있으며, 상온에서 고온보다 높은 연신율을 나타낸다는 것을 알 수 있다. Fig.
29 % 감소되 었다. 즉, FML시 험 편에 비 해 FMT 시험편의 온도의존성이 더 큼을 알 수 있었다. 온도가 증가할수록 탄소성파괴인성치는 감소하였으며, 이는 인장시험에서 보인바와 같이 온도가 증가되면 재료가 취화되는 특성에 기인한 것으로 사료된다.
고온 (400 C)의 경우, 모재의 UTS 와 총연신율은 압연방향의 영향은 거의 없었으며, 용접부를 포함하는 TWL이 TWT보다 높은 강도와 총연신율을 보여 상온과 유사한 경향을 나타내었다. 즉, JLF-1 모재는 압연방향에 대한영향을 거의 받지 않았고, TIG 용접으로 연신율은 감소되었지만 강도는 유사하거나 향상됨을 알 수 있었다. 또한, 온도가 증가할수록 강도와 연신율이 감소하는 현상을 보였는데, 이는 일본에서 개발된 8Cr-2W 조성의 또 다른 저방사화 페라이트 강인 F82H₇₎가 온도가 증가할수록 강도가 감소하고, 연신율은 400C 부근에서 가장 낮게 나타났으며, 400C 이상에서는 연신율이 다시 증가하는 것과 유사한 형태를 보였다.
그러나, 상온 시험편에서는 방사상의 패턴을 가지는 수 개의 예리한 균열을 형성하였다. 탄소성파괴인성 시험후의 파면에서 JLF-1 은 평활 시험편의 경우 평면응력이 지배적인 Shear lip 현상이 크게 나타났으며, 40%의 측면홈을 가공하였을 때 평면변형률 상태에 근접한 파면을 형성하였다.

후속연구

따라서, 본 연구에서는 JLF-1 페 라이트강을 TIG 용접 하여 용접 부와 모재 의 각 방향에 대해서 상온 및 사용온도 400 °C 에서의 인장시험과 Micro-Vickers 경도 시험을 실시하여 JLF-1 의 온도와 TIG용접, 압연방향에 따른 영향을 평가하였고, JLF-1 모재의 탄소성파괴인성(J_ic) 시험을 실시하여 중성자 조사 이전의 파괴 인성 데이터를 확보하였으며, 각 파단면은 SEM을 이용하여 관찰하였다. 이들 결과는 핵융합로의 블랭킷과 제1벽의 구조재 개발과 적용을 위한 기초적 설계자료로 그 기여도가 클 것으로 전망된다.

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핵융합로용 저방사화 철강재료(JLF-1)의 강도와 파괴인성
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