Austenitic stainless steel welds (ASSWs) are required to have duplex microstructure composed of austenite matrix and a certain amount of δ-ferrite to avoid hot cracking during welding in light water reactors (LWRs) application. However, due to presence of δ-ferrite, ASSWs are subjected to suffer thermal embrittlement after long term exposure at service temperature in the range of 280 to 320 oC due to phase separation by spinodal decomposition and G-phase precipitate. Since their mechanical performance is likely to be deteriorated with aging time, fundamental understanding for aging induced microstructure evolution and its effect on mechanical property is of great interest for safe operation of LWRs. Furthermore, ASSWs in reactor core internals are subjected to neutron irradiation, which could accelerate the microstructure evolution and hardening by radiation enhanced diffusion. Although a number of studies have been performed to understand the thermal ageing and irradiation embrittlement, degradation mechanisms were not fully understood yet. In this thesis, after accelerated thermal aging to simulate long term exposure at LWRs relevant condition, the deformation stability and its contribution to hardening of δ-ferrite were evaluated by nano-scale characterization of deformation behavior. Then, in order to estimate kinetics of hardening behavior, thermal aging activation energies of δ-ferrite were characterized using multi-scale mechanical property tests and those results were interpreted by effect of alloying elements and microstructural evolution. Finally, after proton irradiation to emulate neutron irradiation, the combined effect of thermal aging and irradiation was investigated and additional hardening mechanism was suggested.
스테인리스강 용접부는 용접 시 고온 균열 현상을 방지하기 위하여 일정량의 델타-페라이트를 함유하도록 권고하고 있다. 하지만, 가동 원전 운전 온도에서 장기간 노출 후 델타-페라이트 내부에서 발생하는 스피노달 분해 및 G 상 석출로 인해 취화되는 열취화 현상이 발생한다고 알려져 있다. 따라서, 가동원전 구조건전성 측면에서, 열취화 경년열화기구 및 그에 의한 기계적 물성 저하의 근본적인 메커니즘을 이해하는 것이 매우 중요하다. 더불어, 노심과 가까이 위치하고 있는 내부구조물 용접부의 경우, 열취화 뿐만 아니라 중성자 조사에 노출되어 델타-페라이트 상의 미세조직 및 기계적 물성 변화를 더욱 가속화되어 나타날 수 있다. 본 논문에서는 가동원전 장기 열취화 손상을 모사하기 위하여, 가속열화 모사를 수행하였으며 델타-페라이트 상의 나노스케일 미세조직 특성 및 변형 거동을 평가하였다. 이후, 다양한 열화 조건에서 멀티스케일 기계적 물성 평가법을 활용하여 열취화 활성화에너지를 평가하여 취화속도를 정량적으로 평가하였으며, 열취화 경년열화 기구와 연관지어 평가하였다. 마지막으로, 열취화 및 조사취화의 복합적인 영향을 평가하였으며, 열취화 조건과 비교하였을 때 나타나는 추가적인 취화 메커니즘을 제안하였다.
