Low alloy steels, used for nuclear pressure vessels, steam generators and in other applications, constitute a large fraction of the materials used in nuclear power plants. In this regard, they are very important materials in that they determine the safety and the life span of nuclear power plants. Currently, nuclear power plants are being built on a larger scale to raise their power generation efficiency. Therefore, new materials for nuclear pressure vessel steel which has better mechanical properties than SA508 Gr.3 commercial pressure vessel steel is required.
SA508 Gr.4N Ni-Cr-Mo low alloy steel has an improved fracture toughness and strength, compared to commercial low alloy steels such as SA508 Gr.3 Mn-Mo-Ni low alloy steel. So several researches are in progress on SA508 Gr.4N low alloy steel for a RPV application. For this reason, the design of optimum chemical compositions within the ASME specification of SA508 Gr.4N low alloy steel is required. In order to achieve the optimum composition, it is necessary to study alloying effects in SA508 Gr.4N low alloy steel. In addition, there are large differences of austenitizing cooling rates between the surface and the center locations in RPV due to its thickness of 250mm. It may affect the microstructure and mechanical properties in SA508 Gr.4N low alloy steel, so the changes of microstructure and mechanical properties with phase fractions of steel is need to be evaluated. By the way, the operation temperature of a RPV is more than 300℃ operating for over 40 years. Thus the resistance to thermal embrittlement needs to be considered to prevent the additional loss of toughness during long-term operation.
The purpose of this paper is to evaluate the effects of alloying elements and phase fractions on mechanical properties and thermal stability of Ni-Cr-Mo low alloy steel in the viewpoint of microstructure. In this study, the effects of the alloying elements of Ni, Cr, and Mn on the microstructural characteristics, mechanical properties, and the resistance to temper embrittlement in SA508 Gr.4N Ni-Mo-Cr low alloy steel are evaluated. These properties were also examined with different martensite/bainite fractions by changing austenitizing cooling rates.
In chapter 1, the lath martensitic structure becomes finer as the Ni content increases without affecting the carbides. The martensite fraction is increased as the Ni content increases, and it causes the reduction effective grain size. When the Cr content decreases, the Cr carbide becomes unstable and carbide coarsening occurs which lowered the transition property.
In chapter 2, all of the alloying elements reduce the resistance to temper embrittlement, showing increased TTS and the increased fraction of intergranular fracture. The addition of Mn and Cr significantly decrease the C activity and degree of embrittlement show opposite behaviour with the C activity. Ni has little effect on the change of C activity.
In chapter 3, a drastic change of martensite fractions is observed between the cooling rates of 0.07℃/sec and 0.12℃/sec, while the fraction change rate of martensite is significantly reduced over the rate of 0.20℃/sec. The yield strength is increased with martensite fraction. Ductile-brittle transition temperature is decreased with an increase of martensite fraction, but the transition behaviors are similar over 65% martensite due to the similarity of precipitation behavior.
In chapter 4, the temper embrittlement is severely occurred in tempered martensitic structure. The differences in temper embrittlement behavior between tempered martensite and tempered bainite are mainly caused by different portion of high energy boundaries inside the prior austenite grains. Thus the segregation behavior of P in the prior austenite grain boundaries would be much more reduced in tempered bainite than tempered martensite after ageing, because the large amounts of segregation occurred in high energy boundaries inside the prior austenite grains.
In conclusion, the optimum way of alloy design can be proposed, by an addition of Ni contents within ASME specification, and by increasing the fraction of martesnsite over 65% Though the resistance to temper embrittlement is higher in bainite structure than that of martensite structure, the greater strength and toughness from steels that contain high fraction of martensite is very attractive to those that require RPV steel. .
지속적인 고유가와 에너지 수요의 증가로 인해 원자력 발전의 중요성이 높아지고 있다. 원자력 발전에 사용되고 있는 압력용기는 고온, 고압, 중성자 조사의 가혹한 환경 하에서 장기간 사용되는 대형 구조물로서, 뛰어난 강도-인성 조합은 물론 우수한 용접성과 중성자 조사에의 저항성을 필요로 한다[1-6]. 이러한 원자로의 압력용기, 가압기, 증기발생기 등에 사용되는 저탄소 저합금강은 지난 수십년간 계속된 연구개발 과정을 거쳐 발전되어 왔다.
상용 원자로 압력용기용 소재로는, 우수한 강도와 인성 및 용접성을 갖는 SA508 Gr.3 Mn-Mo-Ni계 저합금강이 사용되어지고 있다. 신규원전의 개발은 가동효율 상승을 위한 원자로의 대형화 및 60년 이상의 설계수명을 목표로 진행되고 있으며, 상용소재를 이러한 목표에 부합한 원자로에 적용하기 위해서는 강도와 인성확보를 위해 압력용기의 두께를 비례적으로 증가시켜야 한다. 그런데 원자로 압력용기의 두께가 증가할 경우, 경제성, 용접성 및 제작공정에서 문제점이 발생한다. 따라서 원자로 압력용기의 두께를 감소시키기 위해서는 상용 SA508 Gr.3 Mn-Mo-Ni계 저합금강보다 우수한 강도와 인성을 갖는 새로운 소재의 적용이 필요하다.
현재 ASME 규격의 SA508 내에서는 고강도를 갖는 Gr.4N Ni-Cr-Mo계 저합금강이 명시되어 있다[7]. SA508 Gr.4N Ni-Cr-Mo계 저합금강은 SA508 Gr.3 Mn-Mo-Ni계 저합금강에 비해 Ni과 Cr함량의 증가에 따른 경화능의 향상으로, 기존 Mn-Mo-Ni계 저합금강에서 나타나는 상부베이나이트 조직[6,8]을 마르텐사이트/베이나이트 조직으로 변화시켜 Mn-Mo-Ni계 저합금강보다 향상된 강도와 인성을 가지고 있다[8,9]. 이렇게 향상된 기계적 물성으로 인해, Ni-Cr-Mo계 저합금강은 차세대 상용 원자로에서도 Mn-Mo-Ni계 저합금강에 비해 향상된 안전운전 여유도를 확보할 수 있는 소재로 기대된다. 따라서 최근에는 Ni-Cr-Mo계 저합금강을 원자로 압력용기에 적용하기 위한 연구가 진행되고 있다[8~10].
Ni-Cr-Mo계 저합금강을 압력용기에 적용하기 위해서는 ASME 규격에서 제시하고 있는 SA508 Gr.4N 저합금강의 조성범위 내에서 최적의 합금설계가 우선적으로 진행되어야 하며, 이를 위해서는 Ni, Cr 과 같은 주요합금원소의 첨가에 따른 특성 변화에 대한 체계적인 평가가 필요하다. 특히 최근 연구결과로부터, Ni-Cr-Mo계 저합금강에서 3.5 wt% 이상 Ni이 첨가될 경우 추가적인 강도상승 효과가 나타나는 것으로 보고되었고(그림 1-1참조), Cr 첨가량이 1.8wt% 이하로 감소할 경우 석출물이 조대화되는 현상이 보고되었으나(그림 1-2참조)[10], 이에 대한 원인은 명확히 규명되지 않았다.
상용 원자로 압력용기강은 제작시 오스테나이트 영역으로 가열 이후 표면을 수냉하는 열처리 공정을 거치게 된다. 그러나 원자로 압력용기는 두께가 약 250mm에 달하는 대형 구조물이기 때문에, 수냉 과정에서 외피와 내피간의 냉각속도의 차이가 발생하게 된다(그림 1-3참조)[11]. Ni-Cr-Mo계 저합금강의 경우 템퍼드 마르텐사이트/베이나이트의 복합조직을 갖기 때문에, 이러한 공정을 거칠 경우 외피와 내부에서 마르텐사이트/베이나이트 분율이 변하여 두께방향에 따른 기계적 물성의 불균일성이 나타날 수 있다.
또한 원자로 압력용기강은 약 300℃의 온도에서 40년 이상의 설계수명을 가지며 장기 가동을 하는 소재이기 때문에, Ni-Cr-Mo계 저합금강을 원자로 압력용기에 적용하기 위해서는 고온에서 장기간 가동에 대비한 소재의 안정성에 대한 연구가 필요하다. 이러한 열적안정성 관점에서 고려해야 할 항목으로 템퍼취화현상을 생각할 수 있다. 템퍼취화란 금속재료가 약 300~500℃의 온도범위에서 장기간 사용될 경우, 재료의 입계가 취화되며 재료의 인성이 저하되는 현상이다[12]. 현재 가동중인 상용원전 및 건설중인 개량형 원전의 경우, 원자로 압력용기의 작동 조건이 약 150기압, 300℃로 가동 온도가 템퍼취화가 발생하는 온도 범위에서도 비교적 낮은 온도범위이기 때문에 템퍼취화가 문제시되지 않았다. 하지만 현재 연구되고 있는 4세대 원전의 경우, 발전 효율을 높이기 위하여 상용 원전보다 가동 온도가 높아지는 방향으로 개발이 진행되고 있고, 이에 따라 압력용기에서의 온도 또한 약 350℃~500℃의 고온으로 상승하는 추세이기 때문에, 템퍼취화현상의 발생가능성이 높아지게 된다.
따라서 본 연구에서는
1) Ni-Cr-Mo계 저합금강의 ASME 규격 내에서 최적화된 합금설계 방향을 제시하기 위해, Ni-Cr-Mo계 저합금강의 주요 합금원소인 Ni, Cr 첨가량을 조절한 모델합금에 대하여 미세조직을 관찰하고, Ni 및 Cr 첨가량의 변화가 유효결정립 크기 및 석출거동에 미치는 영향에 대하여 정량적으로 평가하였다. 그리고 이러한 모델합금의 인장 및 충격천이특성을 평가하여 합금원소첨가에 따른 미세조직과 기계적 특성간의 상관관계를 고찰하였다
2) 장기가동중 발생할 수 있는 열적취화에 대한 안정성 확보를 위하여, 합금원소 첨가량의 변화가 열적취화저항성에 미치는 영향에 대하여 평가하였다. Ni-Cr-Mo계 저합금강에서 템퍼취화의 주요 원인인 불순물 원소 P 및 주요 합금원소 Ni, Cr, Mn 함량을 조절한 모델합금에 대하여, 장시간 열처리에 따른 템퍼취화거동을 충격시험 및 파면분석을 통해서 평가하고, 템퍼취화의 원인을 미세조직 분석과 함께 P확산계수, C활동도의 계산결과를 바탕으로 한 열역학적 관점에서 고찰하였다.
3) Ni-Cr-Mo계 저합금강의 오스테나이징 이후 냉각속도의 차이가 강재에 미치는 영향을 평가하기 위해, 냉각속도 변화에 따른 마르텐사이트/베이나이트 및 오스테나이트의 상분율을 정량적으로 분석하고, 상분율의 변화가 미세조직 및 기계적 성질에 미치는 영향에 대해서 체계적으로 평가하였다. 그리고 소재의 마르텐사이트/베이나이트 상분율을 변화시킨 시험편에 대하여 기계적 특성을 평가하고, 상분율 변화가 미세조직 및 기계적성질 변화에 미치는 영향을 살펴보았다.
4) 템퍼드 베이나이트 조직을 갖는 상용 Mn-Mo-Ni계 저합금강과 템퍼드 마르텐사이트/베이나이트 복합조직을 갖는 Ni-Cr-Mo계 저합금강, 그리고 냉각속도를 제어하여 마르텐사이트/베이나이트 분율을 조절한 Ni-Cr-Mo계 저합금강에 대한 템퍼취화저항성을 충격시험을 수행하여 비교하고, 이에 대한 원인을 P 편석거동 비교 및 결정립계 분석결과를 바탕으로 고찰하였다.
