AISI 304 스테인리스강의 高溫 熱疲勞 擧動에 관한 硏究 = A Study on the TMF(Thermo Mechanical Fatigue) behavior of 304 Stainless Steel

국문 초록 (Abstract)

그 동안 고온 환경에서 운전되는 재료의 실험은 열 충격에 의해 피로가 발생하는 운전조건 에서 환경적 수명 예측을 위한 산화 손상 메커니즘 및 고온에서 장시간 운전 시 수명을 평가하기 위한 등온피로 실험이 수행되어 왔다.
본 연구에서는 온도와 기계적 스트레인을 동시에 받고 있는 배열회수보일러(HRSG, Heat Recovery Steam Generator)의 고온부 계통에 주로 사용되는 AISI 304 스테인리스강(18Cr-8Ni, Mn 2%, C 0.08%)을 사용하여 열기계적실험(TMF, (Thermo Mechanical Fatigue)을 수행하고, 그에 따르는 열 피로 거동과 그 미세조직의 변화를 관찰하고자 하였다.
실험은 450↔650℃의 온도범위에서 온도를 증가시키면서 인장을 하고, 온도를 감소시키면서 압축을 하였다. 총 5개의 시편에 대해 변형률 크기를 다르게 하여 열기계적 실험을 수행하였다. 총 변형률의 크기가 증가함에 따라 피로 수명은 비선형적으로 급격히 감소하였으며, 초기의 최대 응력에서 25% 감소하는 시점에서 실험을 중지하고 시편의 파단면을 관찰한 결과 표면형상은 불규칙하였으며, 오스테나이트계 강에서 볼 수 있는 전형적인 입계를 따라 균열이 진행되었다. 파단면을 전자현미경에서 관찰한 일부의 영역에서 피로에 의한 파도 무늬(striation)를 관찰할 수 있었지만, 변형률 크기에 따라 변화는 아주 미미하다.
피로에 의한 균열의 전파는 입계에서 크롬 탄화물 석출로 인해 형성된 공극(cavity)과 이들의 연결과 성장에 의해 진행된 것을 알 수 있었다. 외면에 근접한 부분에서는 입내로 진전된 균열을 발견할 수 있지만, 내부에서는 입계 및 슬립대(Slip Band)를 따라 균열이 성장된 것을 확인할 수 있었다. 얻어진 결과를 활용하여 배열회수보일러 고온부 튜브의 운전 조건에 대한 분석과 수명예측 및 사고 원인분석 자료로 활용할 수 있을 것이다.
또한 AISI 304강의 경우 탄소 함유량이 많아 크롬탄화물 생성이 빨라 피로 파괴가 급격히 진전되므로 향후 크롬탄화물 생성을 억제하는 저탄소 스테인리스강 304L이나 316L을 사용하는 것을 고려할 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The fatigue damage at high temperature is caused by an environmental damage and thermal impact during a power plant operation. Under these operation condition, a damage mechanism by oxidation suggested for life assessment are included a crack generation and growth acceleration from a brittle crack of oxidation scale as well as a selective oxidation of grain boundary and secondary phase particle which lead grain boundary crack.
In power plants, austenitic stainless steels are using as a superheater tube, reheater tube, boiler pipe, since they have a good corrosion resistance, mechanical property and oxidation resistance at high temperature.
In this study, a TMF (thermo mechanical fatigue) test were carried out to observe thermal fatigue behavior and microstructure of 340H stainless steel which is mainly using at high temperature system of HRSG(heat recovery stem generator).
In the case of 340H stainless steel, life behavior of In-phase and out-of-phase was similar, but life time of Cr-Mo steel at In-phase showed longer than out-of-phase.
As a result of the TMF (thermo mechanical fatigue) test with strain amplitude change at a temperature 450~650℃, the lifetime reduction was very higher than isothermal fatigue. The lifetime of the fatigue was non-linearly reduced as a increasing of the total strain.
A fracture face of a specimen was shown a irregular zigzag shape at the stress of 75% after the maximum stress, the crack was propagated along the grain boundary. This fracture shape indicates that it is typical fracture mode in austenitic steels. The striation by fatigue was partially observed at the microstructure of the fracture face, but it was difficult to distinguish the generation difference as strain amplitude. In addition, the crack propagation by fatigue was due to the cavity created, and grew at grain boundary. The crack which was propagated to the inside of the grain was shown around the surface of the specimen, but the crack was grown along the grain boundary and slip-system inside of the specimen.
The results of this study could be applied in order to analyze operation condition, life assessment, a factor of trouble of tubes using at high temperature of HRSG (heat recovery stem generator).

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 이론적 배경 2
• 1. 열기계적 피로(Thermo-Mechanical Fatigue) 특성 2
• 1-1 구조용 강의 열?기계적 피로(Thermo- Mechanical Fatigue) 특성 2
• 1-2 기계적 스트레인과 열적 스트레인 4
• 1-3 TF(Thermal Fatigue)와 TMF 실험 기법 6
• 1-4. TMF 실험에서의 기계적 스트레인과 응력범위 8
• 1-5. TF와 TMF에서의 스트레인-온도 변화 12
• 2. 피로 수명에 영향을 주는 인자 13
• 2-1 탄소강, 저합금강 및 스테인리스강에서의 IF 및 TMF 13
• 2-2 환경적인 영향 16
• 2-3 변형률(Strain rate)과 온도효과 18
• 2-4. 미세조직의 변화 19
• 2-5. TMF 실험형태 20
• Ⅲ. 실험방법 및 결과 24
• 1. 실험 재료 및 시험 24
• 2. 실험 조거건 26
• 3. 실험 결과 27
• 3-1 AISI 304 스테인리스강의 열피로 거동 27
• 3-2 AISI 304 스테인리스강의 열피로 거동에 따른 미세조직 변화 29
• Ⅳ. 결론 46
• 참고문헌 47
• Abstract 48