산화손상을 고려한 오스테나이트계 스테인리스강의 저주기 피로수명 연구

손홍세(Hong-Se Son),최완규(Wan-Kyu Choi),우성충(Sung-Choong Woo),김종천(Jong-Cheon Kim),이정석(Jeong-Seok Lee),박종천(Jong-Cheon Park),김태원(Tae-Won Kim) 대한기계학회 2021 大韓機械學會論文集A Vol.45 No.2

오스테나이트계 스테인리스강은 다양한 산업분야의 핵심 소재로서 특히 고온 환경에서 널리 사용된다. 본 논문은 니오븀이 함유된 오스테나이트계 스테인리스강의 산화손상 기반 피로수명 연구와 관련하여 온도에 따른 저주기 피로시험을 수행한 후 미시조직 관찰을 통해 산화손상 특징을 분석하였다. 아울러 피로, 크리프 또는 피로-크리프 상호작용과 산화손상을 함께 고려하여, Riedel 모델 및 Neu-Sehitoglu 산화손상수명 모델에 기반한 저주기 피로수명 통합 모델을 제안하였다. 200~800°C 온도 및 0.4%와 0.5%의 변형률진폭 조건으로 저주기 피로시험을 수행하였고, 시험 결과와 해석값과의 비교를 통해 통합 모델의 타당성을 검증하였다. 결과적으로 평균 오차 범위 2.8%와 6.7%로 각각 산화물 두께 및 깊이를 예측했으며, 실험 조건 모두 측정 온도에서 ±2 factor 정확도로 저주기 피로수명이 예측되었다. 앞선 결과를 통해 오스테나이트계 스테인리스강의 고온 및 주기적인 환경에서 피로파손 중 60~75%를 차지하는 피로, 크리프 또는 피로-크리프 상호작용뿐만 아니라, 산화에 의한 손상을 반영하여 저주기 피로수명을 예측하였다. Austenitic stainless steel is widely used in high-temperature environments as the core material in various industrial applications. This work analyzes the characteristics of oxidation damage via microscopic observations after low-cycle fatigue testing based on the temperature in relation to the fatigue life, which is based on the oxidation damage of austenitic stainless steel containing niobium. In addition, a unified low-cycle fatigue life model based on the Riedel model coupled with the Neu–Sehitoglu oxidation damage life model is proposed by considering the fatigue, creep, or fatigue-creep interactions as well as oxidation damage. Low-cycle fatigue tests were conducted for temperatures of 200~800°C as well as 0.4% and 0.5% strain amplitude conditions, and the validity of the proposed model was confirmed by comparing the experimental results with the analytical values. Thus, oxide thickness and depth could be predicted with average errors of 2.8% and 6.7%, respectively, and low-cycle fatigue life could be predicted with a ±2 factor of accuracy at the measured temperatures and strain amplitude conditions. From the results, low-cycle fatigue life could also be predicted for oxidation damage as well as fatigue, creep, or fatigue–creep interactions, which account for 60~75% of the total fatigue failure of austenitic stainless steel at high temperatures and with periodic loading.

니켈기 초내열합금 IN738LC의 고온 저주기피로 거동

황권태(Kwon-Tae Hwang),김재훈(Jae-Hoon Kim),유근봉(Keun-Bong Yoo),이한상(Han-Sang Lee),유영수(Young-Soo Yoo) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.10

니켈기 초내열합금은 고온 강도를 지속적으로 증가시키며 현재 비행기 엔진, 선박 엔진 및 발전용 가스터빈 고온 부품 등을 만드는 가장 중요한 소재로 오래전부터 사용되어져 왔다. 이러한 부품의 수명을 연장하기 위해서는 사용 환경과 유사한 조건에서의 피로수명 예측이 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 가스터빈 블레이드 소재인 니켈기 초내열합금 IN738LC에 대하여 실제운전환경과 유사한 조건을 설정하여 다양한 변형률 범위와 온도에서 시험을 수행하였다. 저주기 피로수명을 예측하기 위하여 변형률 에너지 밀도와 파단 사이클과의 관계를 사용하였다. 수명의 예측은 시험결과를 토대로 변형률 에너지법과 Coffin-Manson법에 의하여 예측을 하였다. For many years, high-strength nickel-base superalloys have been used to manufacture turbine blades because of their excellent performance at high temperatures. The prediction of fatigue life of superalloys is important for improving the efficiency of the turbine blades. In this study, low cycle fatigue tests are performed for different values of total strain and temperature. The relations between strain energy density and number of cycles before failure occurs are examined in order to predict the low cycle fatigue life of IN738LC super alloy. The results of low cycle fatigue lives predicted by strain energy methods are found to coincide with experimental data and with the results obtained by the Coffin-Manson method.

온도에 따른 일방향응고 니켈기 초내열합금의 저주기 피로수명 변화

마영화,송전영,구지호,석진익 대한기계학회 2019 大韓機械學會論文集A Vol.43 No.5

The high-temperature parts of a gas-turbine engine eventually fail, due to the accumulated damage caused by the thermal and mechanical cyclic stresses during start-up and shut-down. To prevent such failures, methods for predicting the engine life under various damage mechanisms0 have been studied. In this paper, an experimental study on low-cycle-fatigue (LCF) life assessment was carried out at elevated temperatures. The results showed that the LCF life is on the order of 800>650>950℃. This tendency was consistent with that of the yield-strength variation with temperature. The plastic strain in the tensile behavior was the lowest at 800℃. Thus, it was confirmed that the plastic strain affected the LCF life. Fracture-surface and microstructural observations did not exhibit characteristics that could explain the LCF life tendency with temperature. In the future, additional analyses will be conducted to find the metallurgical factors affecting LCF life. 가스터빈 엔진의 고온부품은 잦은 기동정지에 따른 부하변동으로 인해 열적 및 기계적 반복응력에 기인한 손상이 누적되어 파손이 발생한다. 이에 파손을 방지하기 위한 다양한 손상기구들에 대한 수명예측 방법들이 연구 되고 있다. 본 논문에서는 운전조건에 기반하여 650, 800, 950℃ 온도 하에서 저주기피로 수명예측에 관한 실험연구를 수행하였다. 실험 결과, 저주기 피로수명은 800 > 650 > 950℃ 순으로 나타났다. 이 경향은 온도에 따른 항복강도 변화 경향과 일치하였다. 반면 인장거동 특성에 대한 고찰 결과에서는 800℃에서의 소성변형률이 가장 적게 나타났다. 결국 소성변형률이 저주기 피로수명에 영향을 준 것으로 판단된다. 파단면 및 미세조직 관찰에서는 온도에 따른 저주기 피로수명 경향을 설명할만한 특이점이 발견되지 않았다. 향후 피로수명에 영향을 주는 금속학적 인자를 찾기 위해 r' 의 크기 및 형상, 공정, 탄화물, 결정립 크기, 전위 등 추가적인 분석이 수행될 예정이다.

750℃에서 Alloy 800H 용접재의 저주기 피로 및 수명 예측

이선기(Seon Gi Lee),김선진(Seon Jin Kim),김우곤(Woo Gon Kim),김응선(Eung Seon Kim) 대한기계학회 2020 大韓機械學會論文集A Vol.44 No.5

본 연구의 목적은 750℃에서 alloy 800H 용접재의 저주기 피로 및 수명 예측을 평가하기 위한 것이다. 저주기 피로 시험은 완전 양진 변형률 제어로 하였으며 ±0.3, ±0.45, ±0.6 및 ±0.75%의 서로 다른 전변형률 진폭에서 10-3/s의 일정한 변형률 속도로 수행하였다. 모든 전변형률 진폭에서 용접재의 피로 수명은 전변형률 진폭의 증가와 함께 감소하였다. 반복 응력 반응 거동의 경우 모재는 초기 반복 경화현상을 보였으나, 용접재의 경우 반복 연화 현상이 나타났다. 모재와 더불어 용접재의 수명 평가는 Coffin-Manson 법에 의해 평가되었다. 예측된 모재와 용접재의 저주기 피로 수명은 실험 데이터와 잘 일치하는 것으로 나타났으며, 천이수명은 용접재의 경우가 모재보다 작게 나타났다. 또한, 모든 조건에서 균열 발생 및 전파는 입내 파괴의 파손 모드를 보였다. This work aims to investigate the low-cycle fatigue and life prediction of alloy 800H weldment at 750 ℃. Low cycle fatigue tests were conducted using a series of fully reversed strain-control tests at four different strain amplitude, namely ±0.3, ±0.45, ±0.6 and ±0.75 %, under a constant strain rate of 10<SUP>-3</SUP>/s. In all test conditions, the fatigue life of alloy 800H weldments decreased with increasing the strain amplitude. The cyclic stress response behavior of the base metal showed the initial cyclic hardening phenomenon, whereas the weldments showed the cyclic softening phenomenon. The life evaluation of the base metal and weldment was evaluated by the Coffin-Manson method. For both the base metal and weldment, the low cycle fatigue lives predicted using the Coffin-Manson method were found to coincide well with the experimental data. The transition life of the weldment was lower than that of the base metal. Finally, under all testing conditions, crack initiation and propagation data showed the failure mode to be typically transgranular.

니켈기 초내열합금 IN738LG의 고온 저주기피로 거동

황권태(Kwon-Tae Hwang),김재훈(Jae-Hoon Kim),유근봉(Keun-Bong Yoo),이한상(Han-Sang Lee),유영수(Young-Soo Yoo) 대한기계학회 2010 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2010 No.4

니켈기 초내열합금은 온도수용성(temperature capability)을 지속적으로 증가시키며 현재 비행기 엔진, 선박 엔진 및 발전용 가스터빈 고온 부품 등을 만드는 가장 중요한 소재로 오래전부터 사용되어져 왔다. 이러한 부품의 수명을 연장하기 위해서는 사용 환경과 유사한 조건에서의 피로수명 예측이 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 가스터빈 블레이드 소재인 니켈기 초내열합금 IN738LC에 대하여 실제 운전환경과 유사한 조건을 설정하여 다양한 변형률 범위와 온도에서 시험을 수행하였다. 저주기 피로수명을 예측하기 위하여 변형률 에너지 밀도와 파단 사이클과의 관계를 사용하였다. 수명의 예측은 시험 결과를 토대로 변형률 에너지법과 Coffin-Manson법에 의하여 예측을 하였다. High strength nickel-base super alloys have been used in turbine blades for many years because of their superior performance at high temperatures. The prediction of fatigue life for superalloy is important for improving the efficiency. In this study, low cycle fatigue tests are performed as the variables of total strain range and temperatures. The relations between strain energy density and number of cycles to failure are examined in order to predict the low cycle fatigue life of IN738LC super alloy. The lives predicted by strain energy methods are found to coincide with experimental data and results obtained from the Coffin-Manson method.

변형률속도가 CF8M CASS 환경피로 수명에 미치는 영향 평가

정일석(Ill-Seok Jeong),하각현(Gak-Hyun Ha),전현익(Hyun-Ik Jeon) 대한기계학회 2009 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2009 No.5

The Environmental fatigue life of CF8M cast stainless steel is influenced by mechanical, environmental and metallurgical parameters, such as strain rate, strain amplitude, temperature, dissolved oxygen concentration, water flow rate and so on. In an actual plant, the mechanical and environmental parameters are changing during the plant operation. Therefore, the effect of such mechanical and environmental parameter changes on fatigue life evaluation have to be studied. Low cycle fatigue life of structural materials diminishes remarkably as functions of various parameters in high temperature and high pressure environments. Such reduction can be estimated by the fatigue life reduction factor(Fen). In this study, fatigue tests were performed under changing conditions of strain amplitude, strain rate. Fatigue life was measured in terms of the number of cycles with the variation of strain amplitudes at 0.004 %/s strain rate, and the fatigue life correction factor was evaluated according to the equation modified by U. S. Nuclear Regulatory Commission(U.S.NRC) and Japanese Environmental Fatigue Tests committee(JEFT).

Cu-0.6 wt%Cr 구리 합금의 소성 변형률 에너지 밀도를 이용한 고온 저주기 피로 수명 평가

박종찬,이금오,김재훈 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集A Vol.46 No.9

Copper alloys are known to have excellent characteristics for strength retention and heat conduction at high temperature through appropriate heat treatments and good large deformation processing characteristics. Hence, they have been used in rocket engines and nuclear fusion test facilities. Cu-0.6 wt%Cr is a material that was developed for use in the combustion chamber of rocket engines. In this paper, tensile and strain-controlled fatigue tests were performed on Cu-0.6 wt%Cr under temperature conditions ranging from room temperature to 700°C, to verify its mechanical properties, fatigue characteristics, and lives. Evaluation of fatigue life using widely used fatigue life equations was appropriate under isothermal conditions, but could not be used to describe the various temperature conditions within a single equation. Using the hysteresis energy model, we could evaluate the fatigue lives of the copper alloy under various temperature conditions using a formula by considering the temperature effect on the strain energy-life fatigue equation. 구리합금은 적절한 열처리를 통해 고온에서 강도 유지 및 열전도 특성이 우수하며 대변형 가공특성이 좋은 것으로 알려져 있어 로켓 엔진 및 핵융합 시험 설비 등에 사용되고 있다. Cu-0.6 wt%Cr는 로켓 엔진 연소기에 사용하기 위하여 개발된 구리 합금 소재이다. 본 논문에서는 본 소재의 고온 저주기 피로 특성을 확인하고 피로 수명을 평가하기 위해 상온에서부터 700°C까지의 온도 조건에서 인장시험 및 변형률 제어 피로 시험을 수행하였다. 일반적인 피로 수명 관계식을 이용한 피로 수명 평가는 동일한 온도 조건에서는 적절하였으나 다양한 온도 조건을 하나의 식으로 나타내지는 못하였다. 히스테리시스 에너지 모델을 이용하여 변형률 에너지-수명 피로 평가 관계식에 온도 영향성을 고려하여 다양한 온도 조건에서 피로 수명을 하나의 관계식으로 나타내는 것이 가능함을 확인하였다.

초내열합금 GTD-111의 고온 저주기피로 수명예측

양호영(Ho Young Yang),김재훈(Jae Hoon Kim),유근봉(Keun Bong Yoo),이한상(Han Sang Lee),유영수(Young Soo You) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集A Vol.35 No.7

초내열합금인 GTD-111은 고온강도와 내산화성이 우수하여 가스터빈에서 사용되는 소재이다. 초내열합금의 피로 수명 예측은 가스터빈의 효율을 개선하기 위하여 매우 중요하다. 본 연구에서의 저주기 피로시험은 실제 운전 환경과 유사하게 변형률 범위, 온도를 다양하게 설정하여 시험을 수행하였다. GTD-111의 저주기 피로수명을 예측하기 위하여 변형률 에너지 밀도와 파단 사이클과의 관계를 이용하였다. 시험결과를 토대로 변형률 에너지법과 Coffin-Manson법에 의하여 피로수명을 예측하였다. The Ni-base super-heat-resistant alloy, GTD-111, is employed in gas turbines because of its high temperature strength and oxidation resistance. It is important to predict the fatigue life of this superalloy in order to improve the efficiency of gas turbines. In this study, low-cycle fatigue tests are performed as variables of total strain range and temperature. The relationship between the strain energy density and number of cycles to failure is examined in order to predict the low-cycle fatigue life of the GTD-111 superalloy. The fatigue life predicted by using the strain-energy methods is found to coincide with that obtained from the experimental data and from the Coffin-Manson method.

액체로켓 터보펌프 터빈의 고열 저주기 피로수명 예측

이무형(Muhyoung Lee),장병욱(Byungwook Jang),정은환(Eunhwan Jeong),전성민(Seongmin Jeon),이수용(Sooyong Lee),박정선(Jungsun Park) 한국추진공학회 2009 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.5

높은 열하중하에 있는 부품의 수명은 일반적으로 다른 부품에 비해 짧은 수명을 가지고 있다. 액체 로켓의 터보펌프 터빈은 작동시간 동안 높은 회전속도로 인한 높은 원심력과 높은 온도와 같은 환경하에서 작동된다. 이와 같은 환경은 터보펌프 터빈의 저주기 피로를 야기한다. 우선 열응력을 해석하기 위해 ABAQUS/CAE가 사용되었으며 탄성변형률과 소성변형률을 고려하기 위해 Coffin-Manson 방정식을 사용하였다. 평균응력의 변화를 고려하기 위해 S.W.T법을 사용하였으며, 열응력해석 결과로 얻어진 변형률 이력을 이용하여 터보펌프 터빈의 취약지점에 저주기피로해석을 수행하였다. 본 연구에서는 저주기 수명을 해석하기 위해 변형룰 수명 방법이 적용되었다. The life of components under high thermal load is typically shorter than other components. The turbopump turbine of liquid rocket is operated under these environments like high temperature and high centrifugal dorce due to high rotating velocity during operating time. These conditions may often cause low-cycle fatigue problem in the turbopump turbine. First of all, to analyze heat stress, ABAQUS/CAE is used and Coffin-manson"s equation is used to consider elasticity and plasticity strain. S.W.T"s method is used to consider the mean stress effect, using strain history, low-cycle fatigue analysis is done for turbopump turbine which may have FCL(fracture critical location). In this paper, strain life method is applied to analyze low-cycle fatigue.

터보펌프 터빈의 고열 피로 수명 예측

이무형(Muhyoung Lee),장병욱(Byungwook Jang),정은환(Eunhwan Jeong),전성민(Seongmin Jeon),이수용(Sooyong Lee),박정선(Jungsun Park) 대한기계학회 2009 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2009 No.5

In general, many components are able to be operated under severe thermal conditions. The turbopump turbine is operated under these environments like high temperature and high centrifugal force due to high rotating velocity during operating time. Because these conditions may often cause low-cycle fatigue problem, strain life method is applied to predict low-cycle fatigue life of turbopump turbine. In this paper, strain life method is used to analyze low-cycle fatigue. First of all, to obtain strain history, thermal stress analysis is practised by ABAQUS/CAE. Considering elasticity and plasticity strain's effect, Coffin-Manson's equation is used. S.W.T's method is used to consider the mean stress effect. Low-cycle fatigue analysis is done for turbopump turbine which may have FCL(fracture critical location). MSC.Fatigue is used to analyze low-cycle fatigue life of turbopump turbine.