The low cycle fatigue (LCF) tests of type 316LN austenitic stainless steel (SS) were carried out to investigate the cyclic hardening behaviors and the fatigue life in 310℃ deaerated water. The strain rates were 0.008, 0.04, and 0.4 /s, and the applied strain amplitude varied from 0.4 to 1.0%. The dissolved oxygen concentration of the test water was kept under 1 ppb. The relationship between the cyclic hardening and the dislocation structure was investigated using a transmission electron microscope (TEM). In additional, the environmentally assisted cracking (EAC) mechanisms were investigated by observation of the fatigue surfaces, the sectioned area, and the dislocation structure. The reliability of the experimental fatigue life data produced in the current study was evaluated by a comparison with the prediction models. In 310℃ deaerated water, primary hardening behaviors were observed in all loading conditions. Primary hardening occurred during the LCF tests in 310℃ deaerated water was caused by dynamic strain aging (DSA). The increase in the bulk dislocation density can induce an increase in flow stress, which is in good agreement with the enhancement of primary hardening. In addition, the tangled dislocations and the pinned dislocations formed in the bulk by solute atoms are responsible for the primary hardening. However, as mentioned previously, it is difficult to clarify the cause of primary hardening from the dislocation structure observation of the test-finished specimen. Thus, the LCF tests interrupted at the primary hardening stage and the further TEM observation are required to address the reason of the primary hardening. Secondary hardening behavior occurred for a strain amplitude of 0.4% and a strain rate of 0.4%/s. The pinned dislocations and strings of loops were found in the bulk and the corduroy contrast at the crack tip appeared at the loading condition where the secondary hardening occurred. Therefore, it is thought that the secondary hardening is associated with the corduroy contrast resulted from the pinned dislocations and strings of loops because greater stress is necessary to free the pinned dislocations. The streamed down features, the crack blunting shape, and the wide crack opening were observed on the specimens tested in 310℃ deaerated water. However, despite of these evidences, the slip dissolution/oxidation may not be the only EAC mechanism, as the striations were still observed on the fatigue surfaces of the specimens tested in 310℃ deaerated water. The evidences of the hydrogen-induced cracking (HIC), such as the coalescence of microvoids, the cleavage facets, and the decrease in the dislocation spacing at the crack tip, were rather clearly observed on the specimens tested in 310℃ deaerated water. Therefore, it is thought that the HIC is mainly responsible for the reduction in the fatigue life of type 316LN SS in high-temperature deaerated water, while the effect of slip dissolution/oxidation is less significant. The fatigue life and the average dislocation spacing show minimum values in the strain rate range from 0.008 to 0.04%/s, which indicate the existence of the critical strain rate. That is, if the strain rate is slower than the critical strain rate, the acceleration of the fatigue crack propagation by the absorbed hydrogen would not be enhanced anymore, as the hydrogen absorption may be retarded by the protective oxide film. The experimental fatigue life data produced in the current study show relatively good agreement with the prediction models. Although the difference between our data and the predicted life exists, this difference is within the acceptable range.
산소가 제거된 310℃ 수화학환경에서 type 316LN 스테인리스강의 주기적 경화거동과 피로수명을 연구하였다. 0.008, 0.04, 그리고 0.4 %/s의 변형율속도와 0.4 ~ 1.0%의 변형율의 하중조건에서 용존산소량을 1 ppb 이하로 유지하면서 저주기 피로실험을 수행하였다. 주기적 경화거동과 전위구조와의 상관관계를 투과전자현미경을 통해서 관찰하였으며, 고온 수화학환경에서 발생하는 환경조장균열기구를 피로파면, 절단면, 그리고 전위구조 관찰을 통해서 고찰하였다. 그리고 다양한 예측모델과의 비고평가를 통해서 실험결과의 신뢰도를 평가하였다.
산소가 제거된 310℃ 수화학환경에서 모든 하중조건에 걸쳐 초기 경화거동이 관찰되었다. 이러한 초기 경화거동은 동적변형시효에 의한 것으로 판단되었다. 동적변형시효 조건에서 발생하는 전위밀도의 증가로 인해서 응력이 증가하게 된다. 전위밀도의 증가는 초기 경화거동과 유사한 경향을 보였다. 그리고, 전위의 엉킴과 원자들에 의해 고착된 전위들이 관찰되었는데, 이러한 전위구조들도 초기 경화거동과 밀접한 관련이 있다고 판단되었다. 그러나, 시험 종료 후 시편의 전위구조 관찰로는 초기 경화거동의 원인을 정확하게 파악하는데 한계가 있다. 따라서, 초기 경화거동 직후에 시험을 종료한 후 전위구조를 관찰할 필요가 있다. 0.4%의 변형율과 0.4%/s의 변형율속도의 하중조건에서 2차 경화거동이 뚜렷하게 관찰되었다. 이 하중조건에서 실험된 시편의 전위구조 관찰결과, 전체적으로는 고착된 전위가 관찰되었고 균열선단에서는 corduroy contrast 구조가 관찰되었다. 고착된 전위구조로부터 corduroy contrast 구조가 유발되는데, 고착된 전위들이 자유로워지기 위해서는 더 큰 응력이 요구된다. 그 결과, 2차 경화거동이 발생하게 되는 것이다.
피로파면 및 절단면 관찰 결과, streamed down feature, 무딘 균열형상, 그리고 넓은 균열열림 등 slip dissolution/oxidation의 증거들이 관찰되었다. 이를 통해서 slip dissolution/oxidation이 저주기 피로실험 중에 발생하였음을 확인할 수 있었다. 그러나, 피로파면에서 줄무늬형태가 여전히 관찰되었기 때문에, slip dissolution/oxidation이 주된 환경조장균열기구가 아닌 것으로 확인되었다. 피로파면, 절단면, 그리고 전위구조 관찰 결과에 의하면 미소기공의 결합, 벽개파면, 그리고 균열선단에서의 전위간격 감소 등과 같은 수소유기균열의 증거들이 관찰되었다. 이를 통해서 수소유기균열이 저주기 피로실험 중에 발생하였음을 확인할 수 있었다. 수소유기균열의 증거들이 slip dissolution/oxidation 보다 더 뚜렷하게 관찰되었기 때문에, 산소가 제거된 310℃ 수화학환경에서 type 316LN 스테인리스강의 피로수명 감소에 큰 영향을 미치는 것으로 판단되었다. 0.008 ~ 0.04%/s의 변형율속도 범위에서 피로수명과 균열선단에서의 전위간격이 최소값을 보였다. 이는 수소유기균열이 피로수명에 미치는 영향이 최대화되는 임계변형율속도가 이 범위 내에 존재하는 것을 의미한다. 수소가 흡수될 수 있는 시간이 길어지기 때문에, 느린 변형율속도에서 수소유기균열의 영향은 극대화된다. 그러나, 임계변형율속도 이하의 변형율속도에서는 산화막이 금속재료 내부로의 수소흡수를 방해해서 수소로 인해 균열성장이 가속화되지 않는다. 다양한 예측모델과 피로수명 실험결과를 비교해 본 결과, 본 연구에서 생산된 피로수명 실험결과들이 상당한 신뢰도를 보였다. 예측모델과 약간의 차이를 보이지만, 이는 허용 가능한 오차범위 이내에 포함되었다.
