The tensile and fracture toughness behavior of hydrogen-charged ASME SA508 Cl.1a low-alloy primary piping steel and the dependence of strain rate at both room and high temperatures were studied. Fracture toughness was estimated by using the modified critical fracture strain model. The test strain rates and temperatures were $8.3 x 10^{-5}, 2.08 x 10^{-4}, 1.25 x 10^{-3}, 0.83 x 10^{-2} s^{-1}$ and 25, 177, 250, 316 ℃ respectively. The electrolyte for hydrogen charging was made to be 1 N $H_2SO_4$ and charging time was 30 minute for each specimen. The effect of cathodic hydrogen charging on the microstructure has also been addressed to confirm that the charging method does not cause any surface damage.
At room temperature, the presence of hydrogen led to an increase in yield strength as well as decrease in ductility in all strain rates. Ductility was greatly reduced by the internal atomic hydrogen at lower strain rate about $10^{-5} s^{-1}$ and fracture mode was cleavage type. At high temperatures (177, 250 and 316 ℃), hydrogen induced softening and reduction of ductility at strain rates about $10^{-5}, 10^{-4}$ and $10^{-3} s^{-1}$. Observable hydrogen effect on yield strength, ductility, serration behavior, and cleavage type fracture was appeared at 177 ℃, $10^{-5} s^{-1}$ and 250 ℃, $10^{-3} s^{-1}$. Negative strain rate sensitivity was observed at $250^\circ C$ from strain rate $10^{-5}$ to $10^{-3} s^{-1}$ for both as-received and charged specimens.
For as-received condition, fracture toughness was reduced by dynamic strain aging (DSA) effect in $10^{-5} s^{-1}$, 177 ℃ and in $10^{-3} s^{-1}$, 250 ℃. Hydrogen itself didn’t produce DSA effect but at the DSA regions it might enhance the DSA effect by about 20% of as-received condition. Fracture toughness was also reduced by internal hydrogen at $10^{-5} s^{-1}$, 316 ℃ (~50%); at $10^{-4} s^{-1}$, 250 ℃ (~33%) ; and at $10^{-2} s^{-1}$,177 and 316 ℃ (~33%).
The range of fracture toughness for as-received and hydrogen-charged condition was found from 125 to 225 kPa m and 80 to 225 kPa m respectively. As the minimum recommended value of fracture toughness for SA508 steel is 60 kPa m, this forged steel can be considered to have reasonably good mechanical properties as a LWR primary piping material even at the severe condition.
저합금강 파이프 재료 ASME SA508 Cl.1a 의 인장 및 파괴인성 거동에 대한 수소의 영향을 연구하였다. 전기화학적인 방법으로 수소를 시험편에 주입하였으며, 시험편에 손상을 주지 않는 조건을 확립하였다. 상온 및 고온에서 여러가지 변형율을 이용하여 인장시험을 수소 주입된 시험편(H-Charged)과 수소 주입되지 않은 시험편(As-received)에 대하여 수행하였다. 파괴인성 값은 수정된 임계파괴 변형 모델식(Modified Critical Fracture Strain Model)을 이용하여 예측하였다. 인장시험 결과와 미세조직 결과를 임계파괴 변형 모델식의 입력자료로 사용하였다.
상온의 경우, 수소주입시 모든 변형율 조건에서 항복응력이 증가하였으며 연성은 감소하였다. 특히 낮은 변형율 속도에서 연성이 더 많이 감소하였으며, 벽계면을 통한 파괴가 주요하였다. 고온의 경우, 수소 주입된 시험편에서 상온과는 달리 연화 (인장강도의 감소)현상이 보였으며, 연성이 감소하는 경향을 보였다. 온도 250 ℃ 에서 $10^{-3}$ (/sec)의 변형율 속도로 수행된 시편에서, 수소의 영향이 명확하게 관찰되었으며, 벽계면 파괴가 파면에서 잘 관찰되었다.
동적변형시효 (DSA: Dynamic Strain Aging) 현상이 관찰되었으며, 동적변형시효가 발생하는 영역은 온도와 변형율 속도에 따라 결정되었다. 파괴인성이 동적변형시효가 발생하는 영역에서 크게 감소하였다. $10^{-5}$ 의 경우 177 ℃ 에서 최소 파괴인성의 얻어졌고, $10^{-3}$ 의 경우 250 ℃ 에서 구하여 졌다. 주입된 수소가 동적변형시효의 발생 유무에 영향을 주지 않았으나, 동적변형시효 영역에서 파괴인성이 수소의 영향으로 최대 약 20% 감소되는 것으로 예측되었다.
파괴 인성치는 시험 조건(온도 및 변형율 속도)에 따라 변하였는데, 수소주입되지 않은 시편은 125 ~ 225 (kPam), 수소 주입시에는 80 ~ 225 kPam 로 최소치가 수소 주입시 감소되는 것으로 예측되었다. SA508 Cl.3 의 파괴인성 최소 요건이 60 kPa 임을 고려할 때, 본 연구에 사용된 단조강인 재료(SA508 Cl.1)는 수소 주입과 같은 열악한 조건에서도 LWR 일압력경계의 파이프 재료로서 충분한 기계적인 성질을 지닌 것으로 판단된다.
