온도에 따른 오스테나이트계 내열강의 항복비의 이해

하도현(Do Hyun Ha),오세희(Sae Hee Oh),노영진(Young Jin Roh),김찬중(Chan-Jung Kim),김선진(Seon Jin Kim) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4

일반적으로 내열강의 경우도 온도가 상승함에 따라 인장강도 및 항복강도는 감소한다. 내열강은 통상 500℃ 이상의 온도에서 잘 견디는 강을 의미한다. 따라서 내열강은 500℃ 이상의 온도에서 사용하는 것으로 고온에서 강도가 우수하고, 특히 구조 부재로 사용되기 위해서는 크리프 한도가 높고, 고온 산화 및 부식에 대한 저항성이 우수해야 한다. 내열강이 장시간 동안 고온 고압 등의 극한 환경에 노출될 때 각종 기계적 특성의 현저한 감소를 수반하게 된다. 그럼에도 불구하고 고온환경에서 사용되는 기기 및 플랜트의 효율 향상과 경제성을 위하여 점점 가동 온도를 보다 높게 설정하고 있는 추세에 있다. 특히 내열강 재료 중 700℃ 이상의 초고온에서 사용되는 재료의 경우, 특히 차세대 원자력발전소와 같은 구조물의 구조 부재의 설계에는 그 설계 요구조건을 만족하기 의하여 크리프 한도 및 피로 특성에 대한 엄격한 요구와 이에 관련된 기계적 물성 데이터의 수집 및 평가가 필요하다. 이들 재료의 신뢰성 있는 소재 개발과 설계 기술 개발을 위해서는 고온에서의 물성에 대한 명확한 이해와 데이터의 축적이 요구된다. 항복비란 인장강도에 대한 항복강도의 비(항복강도/인장강도)로 정의되는 개념으로, 0에서 1의 범위를 가지며, 항복비가 크면 클수록 항복강도와 인장강도의 차이가 더 적고, 통상적으로는 소성과 취성이 더 심하게 된다는 것을 의미한다. 즉, 취성재료의 특성을 갖는다고 할 수 있다. 낮은 항복비는 항복에서 소성 불안정까지 변형에 대한 높은 저항을 의미한다. 즉 안전의 관점에서는 낮은 항복비를 가져야 함을 의미한다. 이는 재료의 미세조직과 밀접한 관계가 있는 것으로 보고되고 있다. 또한 항복비는 재료의 기계적 및 파괴 거동과 밀접한 관계가 있는 것으로 알려져 있다. 재료의 종류에 따라서 혹은 동일 재료도 온도에 따라서 이들 항복비는 항상 일정하지 않을 것으로 기대된다. 항복비에 대한 이해는어떤 재료의 성능을 평가하고 고온에서의 여러가지 특성, 특히 반복 하중의 작용에 의한 반복 변형률반응 거동 등을 평가하는데 유용하게 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서는 인장시험 결과에대한 출판된 문헌자료를 조사하여 먼저 오스테나이트계 내열강과 페라이트계 내열강에 대하여 비교 검토하고, 특히 여러 가지의 오스테나이트계 내열강에 대한 온도에 따른 항복비를 결정론적인 개념으로 이해하고자 하였다. Generally, heat resisting steel refers to the steel with capability of resisting scaling at temperature higher than 500℃. They have got good mechanical properties at this temperature, and especially, for utilization as the structural components of very high temperature reactor (VHTR) system, excellent creep resistance, oxidation resistance and creep-fatigue resistance are required. The present study is to investigate the yield ratio of various austenitic heat resisting steel according to temperature. The main emphasis has been placed on understanding of knowledge on the effect of yield ratio (yield strength/ultimate tensile strength) on the temperature, from the published literature review. The yield ratios of austenitic heat resisting steel (example, 18Cr-12Ni-Mo Stainless Steel) vary 0.35 ~ 0.65 according to the testing temperature. The yield ratios of ferrite steel (example, 1Cr-!Mo-0.25V Steel) vary 0.75 ~ 0.85 according to the temperature. The austenitic heat resisting steel showed lower the yield ratio than the ferrite steel. In austenitic heat resisting steels, the yield ratio was decreased with increasing to 600℃, then increased with increasing to 800℃, and finally decreased with increasing to 1000℃.

고온용 밸브 소재의 크리프 파단수명에 관한 불확도 추정 연구

노영진(Young Jin Roh),김선진(Seon Jin Kim),성지훈(Ji Hoon Sung),김선화(Seon Hwa Kim) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4

내열강은 보일러, 발전소 등 고온 분위기하에서 사용되는 밸브의 주요 소재로써 고온 크리프 특성과 수명예측에 관한 연구가 중요하므로 신뢰할 수 있는 수명예측을 위하여 크리프 파단수명의 통계적 특성을 분석할 필요가 있다⁽¹⁾⁽²⁾. 특히 내열강의 기계적 강도는 Weibull 분포 형태에 잘 맞는다고 알려져 있으므로⁽³⁾ 고온용 밸브의 소재에 대한 불확정성 검정을 통하여 부품의 신뢰한계를 증가시킬 수 있다. 부품 및 장비의 유지보수(교체 및 검사) 주기는 Weibull 분포의 모수와 가동율 또는 정비비용의 상관관계로 결정한다⁽⁴⁾. 내열강의 크리프 파단수명에 대한 Weibull 분포 모수의 불확정성 검증은 고온환경하의 부품 신뢰성을 증가시키며 나아가 전체 장비(또는 시스템)의 유지보수 신뢰성에 영향을 미칠 것으로 예상한다. 한편 국제표준화기구(ISO)에서 발행한 측정불확도 표현 지침서가 전 세계적으로 많은 분야에 확산되어 사용되고 있으며⁽⁵⁾ ASTM, KS 와 같은 국내외 표준기술기준에서도 불확도를 추정하는 절차를 제시하고 있다. 따라서 본 연구에서는 크리프 파단시간에 대한 Weibull 분포의 모수에 대한 적합도 검정을 KS Q ISO/IEC 17025에 따라 측정불확도를 산출한 결과로써 제시하였다. 향후 연구는 본 연구인 소재 데이터에서 분석한 모수의 신뢰한계를 토대로 하여 부품에 해당하는 고온용 밸브가 갖고 있는 Weibull 모수와의 상관관계를 분석하여 소재의 통계적인 특성이 전체 시스템의 신뢰성에 미치는 영향을 분석하고자 한다. Generally, heat-resistant steel is one of major material for valves used in high-temperature atmospheres such as boilers and power plants, and research on high-temperature creep characteristics and life prediction is important, so it is necessary to analyze the statistical characteristics of creep rupture lifetime for reliable life prediction. In particular, since it is known that the mechanical strength of heat-resistant steel is well suited to the 2-parameter Weibull distribution, it is necessary to increase the confidence limit of the component through the uncertainty estimation on the material of the high-temperature valve. The verification of the uncertainty of the Weibull distribution parameter for the creep rupture lifetime of heat-resistant steel is expected to increase the reliability of parts under high temperature environments and further affect the reliability of the entire equipment (or system). Therefore, in this study, the goodness of fit test for the parameter of the Weibull distribution for creep rupture lifetime was presented as the result of calculating the measurement uncertainty according to KS Q ISO/IEC 17025. Future research will analyze the correlation with the Weibull parameter of the high-temperature valve corresponding to the part based on the confidence limit of the parameter analyzed in the material data of this study, and the effect of the statistical properties of the material on the reliability of the entire system.

페라이트상을 갖는 마르텐사이트계 내열강의 미세조직 및 기계적성질에 미치는 시효처리의 영향

이상명(S. M. Lee),이정규(J. K,Lee),조영관(Y. K. Jo),이종문(J. M. Lee),강창룡(C. Y. Kang) 한국동력기계공학회 2009 한국동력기계공학회 학술대회 논문집 Vol.2009 No.11

This study was carried out to investigate the specimen in martensite structure added Mo and not added Mo on the aging treatment were generated each changes of microstructure and mechanical properties, the result obtained from this study are as follow: In case of specimen added Mo, A Laves phase was mainly precipitated in ferrite phase, while carbide and Laves phase were overlapping precipitated in martensite phase, on the interface of martensite and ferrite phase. In case of specimen not add Mo, A microstructure was unchanged in ferrite phase, while carbide was precipitated in martensite phase. In case of specimen added Mo, A ferrite hardness change existed two peaks with the increase of the aging time, while a martensite hardness change which a hardness in the early stage of aging was low, but a re-hardening was occurred with the increase of the aging time. In case of specimen not add Mo, While a ferrite hardness change of aging was not largely changed, a ferrite hardness change was sharply decreased in the early stage of aging, but it was slowly decreased with the increase of the aging time. The tensile strength of specimen added Mo was eventually decreased with the increase of the aging time, while the tensile strength of specimen not added Mo was slowly decreased. A Sharpy impact's value of specimen added Mo was largely decreased by the aging treatment, while it was slowly increased with the increase of the aging time, in case of specimen not add Mo was gradually increased in the early stage of aging, the aging time was long, then it was quickly increased. The Disk shape of Laves phase precipitation in the early stage of aging was largely decreased the impact toughness .

내열강의 내부품질에 따른 절삭가공 특성에 관한 연구

김동현,채왕석 韓國工作機械學會 2000 한국생산제조학회지 Vol.9 No.1

This paper is experimental study of machining characteristics about martensitic heat resisting steel STR11. Machining characteristics are different according to internal quality(chemical compositions, microscopic structure and nonetallic inclusion), mechanicla properties (tensile strength value, impact value and hardness) and dynamic cutting force Following are the results; 1. In analyzing internal quality, test materials have typical martensite structure and a minute needle-shaped structure. 2. Tensile strength and reduction of area and hardness are larger. But, valucs of elongation and impact values are smaller. Fracture surface of tensile specimen is duchile. 3. Cutting force is decreasing with cutting speed increasing. 4. Cutting force is increasing with feed speed increasing.

내열강 마찰용접재의 ISM에 의한 크리프 수명예측에 관한 연구

김헌경(HUN-KYOUNG KIM),김일석(IL-SEOCK KIM),이연탁(YEON-TAK LEE),공유식(YU-SIK KONG),오세규(SAE-KYOO OH) 한국해양공학회 2001 韓國海洋工學會誌 Vol.15 No.2

In this paper, the real-time prediction of high temperature creep life was carried out for the friction welded joints of dissimilar heat resisting steels (SUH3-SUH35). Various life prediction methods such as LMP (Larson-Miller Parameter) and ISM (initial strain method) were applied. The creep behaviors of those steels and the welds under static load were examined by ISM combined with LMP at 500, 600 and 700℃, and the relationship between these two methods was investigated. A real-time creep life (tr, hr) prediction equation by initial strain (ε0, %) under any creep stress (σ, ㎫) at any high temperature (T, K) was developed as follows : tγ=α ε0<SUP>β</SUP>σ<SUP>-1</SUP> where, ø=16 : α=10<SUP>51.412-0.104T+5.375×10<SUP>-5</SUP>T²</SUP>, β=-83.989-0.180T-9.957×10<SUP>-5</SUP>T², ø=20 : α=1069.910-0.146T+7.744×10-5T², β=-51.442+0.105T-5.595×10-5T² for SUH3-SUH35 friction weld of ø=16㎜ and ø=20㎜, respectively.

페라이트상을 갖는 마르텐사이트계 내열강의 미세조직 및 감쇠능에 미치는 열처리의 영향

김윤규(Y. K. Kim),최한글(H. G. Chio),성장현(J. H. Sung),강창룡(C. Y. Kang) 한국동력기계공학회 2009 한국동력기계공학회 학술대회 논문집 Vol.2009 No.11

This study was carried out to investigate the effect of microstructure on the damping capacity of martensite heat-resistant steel with ferrite phase. In case of the specimen with martensite plus ferrite phase, the volume faction of ferrite phases was under 5%. The damping capacity was decreased with the increase of solution treatment temperature and time. With the increase of tempering temperature and time damping capacity was increased. The damping capacity was higher in case of specimen with martensite single phase than the specimen with martensite phase contained the ferrite phases.

고온 열화된 엔진밸브용 내열강의 크리프 특성 평가

이종민,최재구,박수,석창성,김가연 대한기계학회 2019 大韓機械學會論文集A Vol.43 No.2

The recent demand for high-performance vehicles requires the development of vehicle engines with improved output. As the engine becomes more advanced, the exhaust gas temperature increases due to an increase in the rate of heat generation. Thus, to ensure reliability in engine development, an analysis of changes in the mechanical characteristics of the engine exhaust components due to high temperature must be conducted. Especially, for an engine exhaust valve that is operated for long hours at high temperatures, the creep characteristics of its material must be determined. Ni-Cr NCF3015 steel with excellent high-temperature characteristics is under development as an engine valve material. Therefore, it is necessary to study the evaluation of the high-temperature creep characteristics of the material, considering a realistic operating environment. In this study, high-temperature creep tests were performed and the variations in creep rupture life with aging hours were analyzed by observing microstructural changes. 최근 고성능 차량에 대한 수요 증가로 인해 출력이 향상된 엔진의 개발이 요구되며, 엔진의 출력이 향상됨에 따라 엔진 내부의 단위 시간 당 발열량 증가로 인해 배기 가스의 온도가 상승하게 된다. 따라서 엔진 개발의 신뢰성을 확보하기 위해서는 고온에 의한 엔진 배기 부품의 기계적 특성 변화에 대한 분석이 선행되어야 한다. 특히 고온에서 장시간 가동되는 엔진 배기 밸브의 경우 재료의 크리프 특성을 우선적으로 확보해야 한다. 본 연구에서는 배기 밸브의 실제 작동 환경을 고려하여 소재의 고온 크리프 시험을 실시하였으며, 미세 조직 변화를 관찰하여 열화 시간에 따른 크리프 수명을 평가하였다.

2.25Cr강 보일러 튜브재료의 고온입계균열 발생 거동

유근봉(Keun Bong Yoo),허남회(Nam Hoe Heo),장중철(Jung Chel Jang),김재훈(Jae Hoon Kim) 대한기계학회 2010 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2010 No.11

Recently, a premature failure of boiler tubes or pipes has frequently occurred at several domestic power plants and most of the fracture type was intergranular. It has been well known that the elevated temperature intergranular cracking in heat-resistant steels occurs through the combination of closely spaced voids at the grain boundaries oriented normal to the tensile stress. However, what the mechanism of low ductility intergranular fracture induced by the tensile stress is are still obscure. In this study, we analyzed the behavior of the elevated temperature intergranular cracking in 2.25Cr-1.5W heat-resistant steels through stress-rupture test. We used the SEM(Scanning Electron Microscope) and AES(Auger Electron Spectroscopy) to investigate the fracture surface and segregation behavior.

원심주조된 B50A349A내열강의 미세조직 및 기계적성질에 미치는 단조조건의 영향

이상명 (S. M. Lee),김윤규 (Y. K. Kim),최한글 (H. G. Choi),강창롱 (C. Y. Kang) 한국동력기계공학회 2009 한국동력기계공학회 학술대회 논문집 Vol.2009 No.6

The aim of study is investigated to develop the optimum forging conditions on B50A349A heat resistance steel. The results obtained from this study are as follow: With increase the forging rate, the hardness and tensile strength wase increased, but impact value and elongation wase decreased. With increase the forging start temperature, the hardness and tensile strength wase increased, while, impact value and elongation wase decreased. With increase the forging finishing temperature, the tensile strength and hardness wase increased, but elongation and impect value was decreased..

전산모사를 통한 오스테나이트계 내열강용 잉곳 몰드 설계 파라미터 최적화

황수빈,박종화,조상현,박성익,김윤재,김동규 한국주조공학회 2022 한국주조공학회지 Vol.42 No.1

In this study, the parameters on the shrinkage defect of HR3C alloy was secured through computer simulation research, and the ingot mold with greater than 85% of sound area was designed and manufactured. Moreover, the optimized coagulation was proposed at design stage through computer simulation and test was performed upon ingot manufactured. After the test, the defect pattern was analyzed through cutting and non-destructive inspection to verify the parameter and ingot mold design. Based on the verification results, shrinkage defect parameters such as Niyama, Feed Efficiency, and Hot Tear Intensity of HR3C Alloys were obtained. In addition, through the secured parameters, a plan for designing ingot mold with a Non-defect area of 85% or more was secured. 본 연구에서는 전산모사를 활용하여 오스테나이트계 내열강인 HR3C 합금의 수축 결함 파라미터를 확보하고, 건전부 85% 이상의 잉곳 몰드 설계 및 제작을 진행하였다. 잉곳 몰드 설계 단계에서 전산모사를 활용하여 최적의 잉곳 몰드를 설계 및 제작하였으며, 제작한 잉곳 몰드를 통해 시험조업을 수행하였다. 시험조업 후, 절단 및 비파괴 검사를 통해 결함 양상을 분석하여 수축 결함 파라미터와 잉곳 몰드 설계를 검증하였다. 검증 결과를 기반으로 HR3C 합금의 수축 결함 파라미터 (Niyama 인자, 급탕효율인자, 열간 균열 인자 등)를 확보하였으며, 확보한 파라미터를 통해 건전부 85% 이상의 잉곳 몰드 설계 방안을 확보하였다.