노치를 갖는 STS316의 수소부식 피로수명 향상을 위한 마이크로 재피닝 효과 = Micro Re-peening Effect on Improving the Fatigue Life of Hydrogen Corroded STS316 with Notch

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 응력집중을 갖는 STS316에 수소부식 환경에서 최장 수명을 주는 재피닝 공정조건 탐색 및 재피닝의 피로수명 개선효과를 확인하였다. 먼저 피로수명을 개선시킬 수 있는 유효 마이크로 피닝 강도 탐색을 위해 알멘스트립에 피닝실험을 실시하여 피닝시간에 따른 실험적 알멘선도를 확보하였다. 포화점을 찾아 아크하이트 및 피닝시간을 측정하여 유효 마이크로 피닝 조건으로 선정하였다. 유효 피닝 공정조건을 기반으로 최장수명을 주는 피닝 공정조건의 탐색을 위해 회전굽힘 피로시편에 마이크로 피닝 처리후 4절점 회전굽힘 피로실험 수행하여 최장수명을 주는 피닝강도 0.192 mmN, 피닝시간 56 초 피닝조건을 확보하였다. 확보한 피닝 조건을 기반으로 최장수명을 주는 재피닝 공정조건을 탐색하고자 파단수명의 30%, 50%, 70%, 90% 피로손상비까지 피로실험을 진행한 후 피로시편에 재피닝처리 하였다. 이후 피로실험을 수행하여 시편이 파단될때까지 피로수명을 확인하였다. 실험결과 파단수명의 70%까지 피로실험을 수행한 시편의 피로수명 상승량이 137.6%로 가장 높은 결과를 보였다. 수소부식된 STS316의 재피닝 효과를 확인하고자 전기화학적 수소장입 시험을 수행 하여 마이크로 피닝처리 하지 않고 수소 주입한 시편(UP+H), 마이크로 피닝처리 후 수소를 주입한 시편(mSP+H), 마이크로 피닝처리 후 수소를 주입한 뒤 재피닝한 시편(mSP+H+RP)들에 대해 회전굽힘 피로시험을 진행하였다. 실험결과 mSP+H+RP시편은 40,300 Cycle의 피로수명을 보였으며 이는 mSP+H시편의 보다 피로수명 32,200 Cycle보다 25% 높은 결과를 보여 수소부식에서도 재피닝이 효과가 있음을 확인하였다. 이후 노치에서의 재피닝 공정 효과를 확인하고자 반지름 1 mm의 노치를 갖는 4절점 회전 굽힘 피로시편을 제작하여 재피닝 및 피로실험을 수행하였다. 실험결과 단일 피닝처리한 노치를 가진 STS316 시편 수명 대비 재피닝 공정처리한 시편의 수명이 35% 상승하여 재피닝 공정이 노치에서도 유효함을 확인하였다. 이후 동일하게 수소장입실험을 실시하여 노치가 존재하는 UP+H, mSP+H, mSP+H+RP 대한 피로실험을 통해 재피닝이 수명개선에 효과가 있음을 확인하였다. 궁극적으로 재피닝 처리가 수소부식된 STS316의 피로수명 개선에 효과가 있음을 입증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, the re-peening process that provides the maximum fatigue life of STS316 with stress concentration under hydrogen corrosion was examined, and the fatigue life improvement effect of re-peening was verified. First, micro-peening conditions capable of improving fatigue life were explored by conducting peening tests on Almen strips to obtain Almen intensity curves as a function of peening time. From the Almen curve, the saturation point was determined, and the corresponding arc height and peening time were selected as effective micro-peening conditions. Based on these parameters, rotary bending fatigue tests were conducted to determine the peening condition that provides the maximum fatigue life. As a result, a peening intensity of 0.192 mmN and a peening time of 56 seconds were identified as optimal. Using this condition, re-peening experiments were performed after applying fatigue damage corresponding to 30%, 50%, 70%, and 90% of the base fatigue life. The specimens were then retested until failure to evaluate total fatigue life. The results showed that re-peening at 70% of fatigue damage increased fatigue life by 137.6%, representing the most significant improvement. To evaluate the re-peening effect in hydrogen corrosion, electrochemical hydrogen charging tests were performed. Rotary-bending fatigue tests were then carried out on specimens unpeened but hydrogen charged (UP+H), micro-peened and hydrogen charged (mSP+H), and micro-peened, hydrogen charged, and re-peened (mSP+H+RP). The results showed mSP+H+RP specimens exhibited a fatigue life of 40,300 cycles, which is 25% longer than the mSP+H specimens. This confirms that the re-peening process is effective even under hydrogen corrosion. Finally, to examine the re-peening effect on rotary bending fatigue specimens with notches, fatigue tests were performed. The re-peened notch specimens exhibited a 35% longer fatigue life than single-peened specimens, confirming effectiveness under stress concentration. Hydrogen-charged notch UP+H, mSP+H, and mSP+H+RP specimens also verified that re-peening improves fatigue life under hydrogen-charged conditions. Ultimately, re-peening treatment effectively improves the fatigue life of hydrogen-corroded STS316.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구목적 및 필요성 1
• 2. 연구내용 및 방법 2
• Ⅱ. 본론 3
• 1. 시험편 3
• 1.1 소재 및 인장 물성 3
• 1.2 비커스 경도 3
• 1.2.1 비커스 경도 측정 3
• 1.2.2 비커스 경도 측정 결과 5
• 1.3 피로시험편 8
• 1.3.1 노치가 없는 4절점 회전 굽힘 피로시험편 8
• 1.3.2 노치 4절점 회전 굽힘 피로시험편 8
• 2. 실험방법 10
• 2.1 실험 절차 및 방법 10
• 3. 노치가 없는 시편의 재피닝 효과 12
• 3.1 최적 마이크로 피닝 조건 도출 12
• 3.1.1 마이크로 피닝 가공 12
• 3.1.2 알멘선도 및 포화점 13
• 3.1.3 최적 마이크로 피닝 공정조건 탐색 18
• 3.1.4 실험결과 및 고찰 19
• 3.2 최적 마이크로 재피닝 공정 탐색 21
• 3.2.1 최적 마이크로 재피닝 공정조건 21
• 3.2.2 실험결과 및 고찰 24
• 3.3 수소부식환경에서 재피닝 효과 26
• 3.3.1 수소부식 실험 26
• 3.3.2 수소부식 시편 재피닝 실험 28
• 3.3.3 실험결과 및 고찰 31
• 4. 노치가 존재하는 시편 재피닝 효과 32
• 4.1 노치시편의 재피닝 효과 32
• 4.1.1 노치를 갖는 시편 피로실험 32
• 4.1.2 노치를 갖는 시편 최적 재피닝 공정조건 탐색 35
• 4.1.3 실험결과 및 고찰 38
• 4.2 수소부식환경에서 노치시편의 재피닝 효과 40
• 4.2.1 수소부식된 노치를 갖는 시편 재피닝 실험 40
• 4.2.2 실험결과 및 고찰 43
• 4.3 파단면 분석 44
• Ⅲ. 결론 51
• 참고문헌 54
• ABSTRACT 57