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Evaluation of mechanical properties of structural materials by small punch yest = 소형펀치시험에 의한 구조 재료의 기계적 성질 평가
서명 / 저자 Evaluation of mechanical properties of structural materials by small punch yest = 소형펀치시험에 의한 구조 재료의 기계적 성질 평가 / Jin-Sik Cheon.
저자명 Cheon, Jin-Sik ; 천진식
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 1996].
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초록정보

Small punch(SP) test method was applied to evaluate the mechanical properties of structural steels for nuclear power plant components. The yield strength of several nuclear structural steels was estimated based on the detailed examination of initial deformation characteristics during the SP test. In addition, the ductile-brittle transition temperature(DBTT) of heat-treated SA508 Cl. 3 nuclear pressure vessel steel was correlated with the temperature dependence of the SP characteristics. Finally, the SP test was performed on duplex stainless steel to estimate the extent of thermal aging embrittlement. Initial deformation behavior during small punch test was investigated using two SP specimen sizes, 10×10×0.5㎣ and 10×10×0.25㎣ by finite element analysis and by experiments with heat-treated SA508 Cl. 3 and 12Cr steel. The increase of specimen thickness resulted in a deviation from the initial linearity of the load-displacement curve at higher load. The deviation was attributed to different causes, namely loss of the constraint by the surrounding material and radial propagation of plastic bending deformation for 0.5 and 0.25mm specimens, respectively. The causes for the transition of deformation mode were identical irrespective of material strength and work-hardening rate in the range of yield strength about 400 to 900 MPa. Based on the invariance of the deformation mode, a distinct linear relationship between the load at the deviation from the linearity and the yield stress was predicted by finite element analysis and compared with the experimental results. The validity of using the SP test for the DBTT evaluation of SA508 Cl. 3 steel was investigated. It was clearly observed that the variation of load-displacement curves with temperature was accompanied by the change of fracture mode and appearance. The temperature dependence of the SP characteristics well described the toughness degradation which was made by heat treatment. The SP energy was selected to correlate the transition temperature of the SP characteristics with DBTT. Scattering in the transition region was treated by statistical analysis based on the Weibull distribution to improve the reliability of the data. A linear relationship between DBTT and SPDBTT was drawn and comparable to the published data. Small punch test was performed on CF8 duplex stainless steel aged at 370℃ and 400℃ up to 5,000 h to characterize the thermal aging embrittlement. At room temperature, the SP load-displacement curve was in a similar shape to those of ferritic steels and had a good reproducibility in spite of ferrite-austenite structure. As test temperature was lowered, the SP load showed a sudden drop followed by serrations before the SP specimen was fractured, resulting from the cracking of ferrite phase. While the aging heat treatment led to a slight increase of the yield strength, the transition appearing in the SP energy versus temperature curves was shifted to higher temperature due to the hardening of ferrite phase. Scanning electron microscope observation showed that phase boundary separation was an additional mechanism in the degradation of the steel aged at 400℃.

원자력발전소의 가동중 및 수명 연장시에 원전기기의 건전성을 보장하고 잔여수명을 추정하려면 구성 재료의 취화도를 평가하여야만 한다. 기존 시험법은 가동중 기기에 대하여 적용이 곤란하기 때문에 매우 소량의 재료를 이용하여 기계적 성질을 측정하는 방법인 소형시편시험기술이 개발되었다. 소형시험법은 시편의 소형화에 수반되는 여러 가지 이점때문에 최근 활발한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 소형시험법중에서도 소모되는 시편양이 적으면서도 다양한 기계적 성질을 도출할 수 있는 소형펀치(Small Punch, SP)시험법으로 원자력발전소 구조재료의 기계적 성질을 평가하고자 시도하였다. 소형펀치시험중의 변형양상을 조사하여 재료의 항복응력을 추정하였으며, 열처리된 SA508 Cl.3 압력용기강의 연성취성천이온도(DBTT)와 소형펀치시험특성간의 연관성을 이끌어내었다. 이러한 결과를 확장시켜 오스테나이트와 페라이트 두가지 상으로 이루어진 이상스테인레스강의 열시효취화를 평가하였다. 소형펀치시험을 이용하여 재료의 항복응력을 평가할 목적으로 소형펀치시험 중의 초기 변형 양상을 조사하였다. SP 시편의 크기는 10mm×10mm×0.5㎣와 10mm×10mm×0.25 ㎣이었고 열처리를 통하여 강도를 변화시킨 SA508 Cl.3강과 12Cr강을 실험에 사용하였다. 또한 응력과 변형율 거동 분석을 위하여 유한요소해석을 병행하였다. 시편의 두께가 증가함에 따라 하중-변위곡선에서 초기 선형 구간을 벗어나는 지점은 증가하였다. 이러한 벗어남의 원인은 0.5mm 시편은 변형이 진행됨에 따라 주위 재료에 의한 구속이 감소하는데 있었고, 0.25mm 시편의 경우는 소성굽힘변형이 반경 방향으로 전파하기 때문이었다. 400에서 900 MPa범위의 항복응력을 가진 재료에서는 변형양상의 천이 원인이 강도나 가공경화율에 의존하지 않고 동일하였다. 그리고 초기 선형성에서 벗어나는 점에서의 하중과 항복응력간의 관계식을 유한요소해석으로 예측하였고 실험 결과와 비교하였다. SA508 Cl.3 압력용기강의 연성취성천이온도(DBTT)를 결정하는데 SP시험이 적용가능한지를 조사하기 위하여 오스테나이트화 및 템퍼링 온도와 시간을 조절하여 인성을 변화시킨 SA508Cl.3강으로 SP시험을 수행하였다. 시험 온도에 따른 SP 하중-변위곡선의 변화는 파단 양상의 차이를 수반하였다. 하중-변위곡선에서, 아래면적으로 정의되는 SP에너지, 시험중의 최대하중, 하중이 급락할때의 변위가 뚜렷한 온도 의존성을 보였으며, 이중에서 SP에너지로 DBTT를 평가하였다. 와이블 분포를 적용하여 평균한 SP에너지와 Charpy에너지의 천이온도간에는 선형관계식이 존재하였으며, 그 비례계수는 0.4정도이었다. CF8 이상스테인레스강의 열시효 취화를 평가하기 위한 방법으로 소형펀치시험법을 채택하였다. 370℃와 400℃에서 5,000시간까지 시효시킨 이상스텐인레스강을 상온에서 액체질소온도까지 소형펀치시험을 하였다. 상온에서의 SP 하중-변위 곡선은 페라이트강과 유사한 형태이었으며 이상조직임에도 불구하고 우수한 재현성을 보였다. 시험 온도가 감소하면 시편의 완전한 파단전에 갑작스런 하중의 감소와 뒤이은 반복된 하중의 증가 및 감소가 있었고 그에 따라 SP특성들은 페라이트강에 비하여 큰 편차를 보였다. 이것은 이상스테인레스강 SP 시편의 파단시에 페라이트상의 방향과 분포가 균열의 형성과 성장에 지대한 영향을 끼쳤기 때문이었다. 시효처리에 따른 항복응력의 증가는 크지 않았지만, 온도가 감소함에 따라 SP에너지가 천이하는 온도는 시효가 많이 진행된 시편일수록 높은 쪽으로 이동하였다. 취화의 주된 원인은 페라이트상의 경화이었고 더불어 400℃에서 시효한 재료에서는 페라이트와 오스테나이트상 경계의 분리도 부수적인 원인임을 주사전자현미경 관찰을 통하여 확인하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DNE 96015
형태사항 xi, 120 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 Appendix : Weibull statistical analysis
저자명의 한글표기 : 천진식
지도교수의 영문표기 : In-Sup Kim
지도교수의 한글표기 : 김인섭
수록잡지명 : "Initial Deformation During Small Punch Testing". Journal of Testing and Evaluation. ASTM, vol. 24, no. 4, pp. 255-262 (1996)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 원자력공학과,
서지주기 Reference : p. 111-115
주제 Small punch test
Yield strength
DBTT
Thermal aging embrittlement
소형펀치시험
항복응력
연성취성천이온도
열시효취화
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