The predictions of deformation behavior and life of materials are very important in reliability analysis of structures. The structures used in elevated temperature such as the automobile, aircraft and ship engine or liquid metal cooled fast breeder reactor in nuclear power plant are fractured by thermomechanical fatigue. For reliability assessment, the deformation behavior, the low-cycle fatigue behavior and the characteristic of fatigue life were observed and analyzed. Dynamic strain aging(DSA) was observed on much part of the temperature of the structures, and the tendencies of deformation and life were very complicated by serrations, negative strain rate sensitivity, increase of work hardening rate and embrittlement that are the important characteristics of DSA. Specially, a novel reliability analyzing method was needed by the drastic life decrease of materials on low-cycle fatigue in this region.
In this study, the prediction method manifesting plastic deformation in elevated temperature was developed by applying the energy barrier method suggested by Kocks and DSA model suggested by McCormicks. Also, thermomechanical deformation of materials when temperature and stress are fluctuating continually could be predicted fastly by tranforming the model based on this dislocation dynamics to rheological model and the prediction was confirmed well by thermomechanical fatigue experimental data when temperature and strain fluctuated randomly. Morrow model was adapted to correlate the fatigue life in DSA temperature region and the low-cycle fatigue life was predicted well on 316L stainless steel and 429EM stainless steel regardless of various temperatures by using the new equation non-dimensionalized by tensile toughness.
고온 구조물에서 변형 거동과 수명에 대한 예측은 재료의 신뢰성 해석에 있어서 매우 중요하다. 자동차, 선박의 배기 다기관, 로켓 엔진, 액체 금속로와 같은 고온 구조물들은 열적 기계적 피로를 받는다. 신뢰성 해석을 위해서 재료의 피로 수명을 분석하고, 재료의 변형 거동을 예측하는 것이 중요하다. 이를 위해서 316L 스테인리스 강, 429EM 스테인리스 강, 630 스테인리스 강, 회주철, 구상 흑연 주철, Inconel 718의 고온에서의 변형 거동 및 저사이클 피로 거동 및 수명 특징을 관찰하고 분석하였다. 위와 같은 고온 구조물에서 사용되는 온도의 많은 부분이 세레이션이 발생하는 동적 변형 시효(dynamic strain aging)이 일어나는 온도였으며, 동적 변형 시효로 인해서 재료에서는 음의 변형률 속도 민감도, 경화율의 증가등이 나타나서 재료의 고온에서의 변형 거동 및 수명 경향을 매우 복잡하게 하였다. 특히 저사이클 피로에서 동적 변형 시효로 인한 재료의 취화가 나타나서 재료의 수명이 급격하게 감소하는 현상들이 나타났다. 따라서 이러한 동적 변형 시효가 일어나는 온도 영역에서의 재료의 변형 거동과 수명에 대한 연구는 매우 중요하다. 동적 변형 시효가 일어나는 온도 구간에서의 변형 거동을 예측하기 위하여 Kocks가 제안한 에너지 장벽 모델과 Cottrell과 이후에 McCormicks등이 제안한 DSA 모델을 응용하여, 현상학적으로 재료의 소성 변형을 나타내는 식을 개발하였으며, 이 식을 통하여 재료의 변형 거동을 적은 실험을 가지고 예측할 수 있는 방법을 제시하였다. 이 식은 DSA에서 음의 변형률 민감도나 경화율의 증가등도 묘사할 수 있으며, 상온에서 DSA가 일어나는 온도인 약 600℃까지 예측이 가능하지만, 동적 회복(dynamic recovery)이 크게 일어나 연화 과정이 일어나는 고온에서는 예측이 불가능하다. 이러한 전위 동역학을 기반으로 재료의 소성 변형을 예측하는 식을 리올러지 모델로 전환하여 온도와 응력이 계속해서 바뀌는 환경 가운데서의 재료의 변형 거동을 빠른 속도로 예측할 수 있었고, 온도와 변형률이 임의로 바뀔 때에도 재료의 변형 거동을 잘 예측하는 것들을 열적 기계적 피로 실험을 통해서 확인할 수 있었다. 또한 동적 변형 시효가 일어나는 온도 영역에서의 피로 수명을 예측하기 위해서, 에너지 기반의 Morrow model을 사용하였으며, 소성 변형률 에너지 밀도를 인장 인성으로 무차원화 시키는 것을 통해서 온도에 관계없이 316L 스테인리스 강과 429EM 스테인리스 강의 저사이클 피로 수명을 잘 예측하였다.
