Thermo-mechanical fatigue(TMF) cycle is defined as a condition where uniform temperature and strain fields over the specimen gage section are simultaneously varied and independently controlled. TMF of structural materials have been topics of intense research interest among materials scientists and engineers for over fifty years, and are subjects that continue to receive considerable attention. TMF testing plays an increasingly important role in the design, the reliability assessment and the life-cycle management of safety critical components used, for instance, for power generation, in the process industry and in aeronautical and automotive applications, with a view to increasing the fuel efficiency, safety and service intervals, while reducing production and material costs.
In this study, the 429LM2 stainless steel is a ferritic stainless steel which will be used in automobile exhaust system. Tensile tests, low cycle fatigue(LCF) tests and thermo-mechanical fatigue tests were performed at various temperatures. Induction heating system utilized to operate at high temperature state. Elastic modulus, yield strength and ultimate tensile strength decreased when temperature increased according to tensile test results. Cyclic hardening occurred under LCF cycling in most of test conditions, especially at 300-500 ℃. The relationship between LCF life and temperature showed a complicated tendency. The TMF cyclic response such as positive peak stress and negative peak stress was higher than low cycle fatigue condition. Owing to this effect, TMF life much shorter than LCF life. Analyzing these test results, LCF life and behavior prediction was predicted. Finally, TMF behavior prediction was achieved.
고온 구조물에 사용되는 재료들은 시스템의 운행 조건에 따라 온도 구배가 발생하게 되고 이에 의한 열변형을 겪게 된다. 이러한 열변형은 시스템이 구속되어 있으므로 그대로 기계적인 변형이 되고, 실제로 주기적인 기계적 변형이 가해지는 상황에 놓이게 된다. 이처럼 실제 고온 구조물은 온도 조건과 하중 조건이 계속적으로 변화하게 되는 열적 기계적 피로 조건을 받게 된다. 지난 50년 동안, 열적 기계적 피로는 많은 과학들과 엔지니어들의 주된 관심사이며 앞으로도 계속해서 주목할만한 연구 분야이다. 최근 발전소, 우주산업, 자동차 산업 등의 기술목표는 고효율과 안전을 확보함과 동시에 경량화, 고기능화를 달성하는 것이다. 따라서 설계 단계에서의 구조물의 신뢰성과 안전 확보 및 수명 평가에 있어서 열적 기계적 피로 시험의 중요성이 증가하고 있다.
본 연구에서는 자동차 배기시스템에 사용되는 페라이트 계열 429LM2 스테인리스강을 사용하여, 고온에서의 인장 시험, 저주기 피로 시험, 열적 기계적 피로 시험을 수행하였다. 고온 환경을 구축하기 위해서는 유도가열 시스템을 사용하였다. 인장 시험을 통해 재료의 기계적 물성 값인, 탄성계수와 항복강도, 인장강도는 온도가 증가함에 따라 감소한다는 것을 알 수 있었다. 대부분의 시험 온도에서 저주기 피로를 겪는 동안 반복경화 현상이 관찰되었으며 특히 300-500℃에서 뚜렷하게 나타났다. 저주기 피로 수명은 온도에 따라 다소 복잡한 경향을 나타내었다. 열적 기계적 피로 조건에서의 최대 인장 및 압축 하중은 저주기 피로 조건 보다 컸으며, 이로 인해 열적 기계적 피로 수명이 저주기 피로 수명보다 훨씬 짧아진다는 것을 알 수 있었다. 이러한 실험 결과들을 분석하여 저주기 피로 거동과 피로 수명을 예측할 수 있었으며, 최종적으로 저주기 피로 시험 결과를 이용한 열적 기계적 피로 거동 모사를 달성하였다.
