An Integrated Experimental and Numerical Investigation of Path-Dependent Martensitic Transformation for a Quantitative NDT Framework = 정량적 비파괴 검사 프레임워크를 위한 경로 의존적 마르텐사이트 변태의 통합적 실험 및 수치해석 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study presents an integrated framework for the quantitative structural integrity assessment of austenitic stainless steel (SUS304L) used in cryogenic structures, such as the Cargo Containment Systems (CCS) of Liquefied Natural Gas (LNG) carriers. Conventional inspection methods, including visual inspection and leak detection, have inherent limitations in quantitatively evaluating incipient damage, potentially overlooking significant structural risks.
To overcome these limitations, this research is built on two complementary pillars. The first, an engineering pillar, proposes a novel magnetic non-destructive testing (M-NDT) framework that leverages the phenomenon of Strain-Induced Martensitic Transformation (SIMT) to quantify accumulated plastic damage. The second, a scientific pillar, addresses the fundamental challenge of strain path dependency, which undermines the quantitative reliability of the M-NDT signal. Through uniaxial and equi-biaxial tension tests, it was experimentally demonstrated that the SIMT kinetics in SUS304L exhibit a pronounced dependency on the strain path. Subsequent Electron Backscatter Diffraction (EBSD) analysis revealed that the activation of multiple slip systems and an increased density of shear band intersections are the core microstructural origins of this behavior.
Building on this physical insight, this study establishes a new constitutive equation by introducing a strain path parameter to quantify the mode of deformation, which is integrated with the equivalent plastic strain representing the magnitude of deformation. When implemented in a finite element analysis to simulate a hydraulic bulge test, the model's prediction of the complex and anisotropic final distribution of martensite was validated through comparison with experimental results.
This outcome is significant, as conventional models based solely on equivalent strain fail to capture such path-dependent behavior. Furthermore, by utilizing a directly measurable strain path parameter, this approach offers a practical alternative to preceding studies that have relied on calculated, non-measurable stress state variables like stress triaxiality, thereby enhancing model robustness.
By integrating a practical NDT framework with a physics-based predictive model through material-level experiments, this research confirms the potential for magnetic NDT to be used as a quantitative damage diagnostic tool, transcending its role as a merely qualitative indicator. This work provides the foundation for subsequent research on the inverse estimation of a structure's actual strain history from measured magnetic signals and is expected to contribute to the advancement of data-driven integrity management technologies.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 액화천연가스(LNG) 운반선의 화물창(CCS)과 같은 극저온 구조물에 사용되는 오스테나이트계 스테인리스강(SUS304L)의 정량적 구조 건전성 평가를 위한 통합 프레임워크를 제시합니다. 육안 검사 및 누설 탐지를 포함한 기존의 검사 방법들은 초기 손상을 정량적으로 평가하는 데 내재적 한계를 가지며, 이로 인해 중대한 구조적 위험을 간과할 가능성이 있습니다.
이러한 한계를 극복하기 위해, 본 연구는 상호 보완적인 두 개의 축을 기반으로 합니다. 첫 번째 공학적 축은 변형 유기 마르텐사이트 변태(SIMT) 현상을 활용하여 누적 소성 손상을 정량화하는 새로운 자기 비파괴 검사(M-NDT) 프레임워크를 제안합니다. 두 번째 과학적 축은 M-NDT 신호의 정량적 신뢰도를 저해하는 변형 경로 의존성이라는 근본적인 문제를 다룹니다. 단축 및 등이축 인장 시험을 통해 SUS304L의 SIMT 동역학이 변형 경로에 뚜렷한 의존성을 보인다는 것이 실험적으로 증명되었습니다. 이어진 전자후방산란회절(EBSD) 분석은 다중 슬립 시스템의 활성화와 전단대 교차 밀도 증가가 이러한 거동의 핵심적인 미세구조적 원인임을 규명하였습니다.
이러한 물리적 통찰을 바탕으로, 본 연구는 변형의 '모드(mode)'를 정량화하는 '변형 경로 매개변수'를 도입하고, 이를 변형의 '크기(magnitude)'를 나타내는 등가 소성 변형률과 통합하여 새로운 구성방정식을 정립했습니다. 이 모델을 수압 벌지 시험을 모사하는 유한요소해석에 적용하여 복잡하고 비등방적인 최종 마르텐사이트 분포를 예측하였으며, 그 정확도는 실험 결과와의 비교를 통해 검증되었습니다.
이러한 결과는 등가 변형률에만 의존하는 기존 모델들이 경로 의존적 거동을 예측하지 못한다는 점에서 의미가 있습니다. 더 나아가, 본 접근법은 직접 측정이 가능한 변형 경로 매개변수를 활용함으로써, 삼축응력(stress triaxiality)과 같이 계산에 의존하며 직접 측정이 불가능한 응력 상태 변수를 사용했던 선행 연구들에 대한 실용적인 대안을 제시하고 모델의 강건성(robustness)을 향상시킵니다.

소재 단위 실험을 통해 실용적인 비파괴 검사 프레임워크와 물리 기반 예측 모델을 통합함으로써, 본 연구는 자기 비파괴 검사가 단순히 정성적인 지표로서의 역할을 넘어 정량적 손상 진단 도구로 활용될 수 있는 잠재력을 확인했습니다. 본 연구는 측정된 자기 신호로부터 구조물의 실제 변형 이력을 역추정하는 후속 연구의 기반을 제공하며, 데이터 기반 건전성 관리 기술의 발전에 기여할 것으로 기대됩니다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction １
• 1.1. Research Background and Engineering Motivation １
• 1.2. The Core Scientific Challenge: Strain Path Dependency ８
• 1.3. Proposed Approach: A Constitutive Model Based on Measurable Kinematic Variables １１
• 1.4. Scope and Outline of the Dissertation １４
• Chapter 2. Non-Destructive Integrity Assessment of Austenitic Stainless-Steel Membranes via Magnetic Property Measurements １６
• 2.1. Introduction １６
• 2.2. Materials and Methods １７
• 2.2.1. Material １７
• 2.2.2. Mechanical Test １８
• 2.2.3. Microstructural Analysis ２４
• 2.3. Results ２９
• 2.3.1. Mechanical Property ２９
• 2.3.2. Quantitative Measurement of X-Ray Diffraction ３０
• 2.3.3. Quantitative Measurement of EBSD ３３
• 2.3.4. Quantitative Measurement of Feritscope ４２
• 2.3.5. XRD-Based Calibration of the Feritscope ４４
• 2.4. Discussion ４８
• 2.4.1. Proposal of Inspection Methodology Based on Magnetic Permeability ４８
• 2.4.2. Outlier Detection ５０
• 2.4.3. Quantitative Damaged Area Analysis ５３
• 2.4.4. Time-Series Analysis ５７
• 2.5. Conclusions ５９
• Chapter 3. Constitutive Modeling of Path-Dependent Strain-Induced Martensitic Transformation in Austenitic Stainless Steel ６２
• 3.1. Introduction ６２
• 3.1.1. Engineering Significance and the Limits of Conventional Assessment ６２
• 3.1.2. Established Academic Approaches and Their Inherent Limitations ６４
• 3.1.3. Originality of the Present Study: A New Framework Founded on Measurable Reality ６６
• 3.2. Constitutive Model Formulation ６７
• 3.2.1. Yield Function: YLD2000-2d ６８
• 3.2.2. Flow Rule: Associated Flow Rule ７０
• 3.2.3. Hardening Law: Combined Swift-Voce Model ７１
• 3.2.4. The Generalized Strain Path Parameter ７２
• 3.2.5. Formulation of the Martensitic Transformation Kinetics Model ７５
• 3.2.6. Numerical Implementation and Rational Assumptions ７９
• 3.3. Material and Experiment ８１
• 3.4. Simulation of hydraulic bulge forming ８６
• 3.4.1. Finite Element Model of the Hydraulic Bulge Test ８６
• 3.4.2. Calibration of Constitutive Model Parameters ８８
• 3.5. Result ９３
• 3.5.1. Validation of the Anisotropic Plasticity ９３
• 3.5.2. Validation of the Path-Dependent Transformation Kinetics Model ９９
• 3.6. Discussion １０５
• 3.6.1. Physical Validity of the Constitutive Model １０５
• 3.6.2. Proposal of Inverse Analysis Algorithm １０６
• 3.6.3. Structural Integrity Assessment １１１
• 3.7. Conclusions １１２
• Chapter 4. Summary of Research １１５
• 4.1. Conclusions １１５
• 4.2. Future work １１９
• References １２１
• Appendix A Detailed EBSD Analysis: Grain Morphology and Refinement １２６
• 초록 １２９