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304L 스테인리스강의 열적 기계적 피로 거동과 수명 예측에 관한 연구 = A study on the thermo-mechanical fatigue behavior and life prediction of 304L stainless steel
서명 / 저자 304L 스테인리스강의 열적 기계적 피로 거동과 수명 예측에 관한 연구 = A study on the thermo-mechanical fatigue behavior and life prediction of 304L stainless steel / 배근호.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2013].
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Tensile, low cycle fatigue and thermo-mechanical fatigue tests were set-up and performed with 304L stainless steel. Dynamic strain aging was observed with special characteristics in yield strength and ultimate tensile strength, though the serration was not observed. From the low cycle fatigue results, plastic strain energy density was chosen as a life prediction parameter and ultimate tensile strength was shown to be the best material parameter to consider the temperature effects. It was found that the different specimen geometries of the specimen affected the fatigue life. Solid specimen was used in low cycle fatigue and hollow specimen was used in the thermo-mechanical fatigue test to enhance the uniformity and heating/cooling rate. Fractured surfaces revealed different crack propagation characteristics. Simple 2-D FEM was employed to find out that in the hollow specimen the internal plastic strain near the crack tip is approximately 1.6 times larger than in the solid specimen. Thermo-mechanical fatigue tests were performed in the temperature range of 250~500ºC where the creep and oxidation effects are negligible. TMF fatigue lives are different as a function of a phase angle between the mechanical strain and the temperature. Ultimate tensile strength, in addition to plastic strain energy density, was used to compensate for the temperature effects. Incorporating the fact the internal plastic strain is 1.6 times larger in the hollow specimen, the thermo-mechanical fatigue lives were predicted within 2X scatter band. Thermo-mechanical fatigue tests were performed in the temperature ranges of 400~650 ºC and 450~700 ºC to consider the effects of the creep and oxidation. In contrast to previous results by other researchers, the fatigue lives were a function of a phase angle. In the 400~650 ºC range, the counter-clockwise-diamond-phase shows the minimum fatigue life and in the 450~700 ºC in-phase shows the minimum fatigue life. When the creep strain was predicted using the Zener-Holloman parameter, the TMF lives in the temperature range of 450~700 ºC were explained reasonably. However, consideration of other damage mechanisms was necessary in the range of 400~650 ºC. Schematic modeling was developed to explain the relationship between the phase angle and the TMF life in the 400~650 ºC. Assuming that the creep occurs above 550 ºC and the DSA occurs between 300 and 500 ºC, competition occurs between the creep and the DSA. When the operating ranges of the creep and DSA were plotted on the hysteresis loops, the creep effects are expected to maximize in the counter-clockwise-diamond-phase. TEM images support this hypothesis and show the equi-axed dislocation structures only in the counter-clockwise-diamond phase and other phase angles show layer/wall type dislocation structures, which occur commonly in the DSA range

상온 및 고온에서 인장, 저주기 피로, 열적 기계적 피로 시험을 위한 장치를 구축하고 시험 기법을 확립하였다. 상온 및 고온에서 인장 시험을 수행하였다. 여러 가지 온도에서 재료 물성치를 획득하였고, DSA 현상을 관찰할 수 있었다. 인장 곡선에서의 serration 현상은 발견되지 않았지만, 온도에 따른 인장강도 및 항복강도의 변화를 통하여 DSA 현상을 확인할 수 있었다. 상온 및 고온에서 저주기 피로 시험을 수행하였다. 상온의 경우, 반복 거동에 의한 마르텐사이트화가 일어났으며 피로 시험이 진행될수록 최대 응력이 증가하였다. 피로 수명 예측 파라미트로는 소성변형률에너지가 사용되었고, 온도의 영향을 고려하기 위해 다양한 물성치를 평가한 결과, 인장강도가 가장 적합하다는 것을 알 수 있었다. 저주기 피로 실험에 사용한 solid 시편과 열적 기계적 피로 실험에 사용한 hollow 시편 사이에 존재하는 시편 형상의 차이가 피로 수명에 영향을 미치는 것을 관찰하였다. 시편 파단면 관찰을 통해 균열 진전의 양상이 다르다는 것을 확인하였다. 균열 선단에서의 응력과 소성 변형의 차이를 정량적으로 평가하기 위해서 간단한 2D-FEM 분석을 하였고, 이를 통해서 solid 시편에 비해hollow 시편의 균열 선단에서 약 1.6배 더 큰 소성 변형이 발생하는 것을 발견하였다. 산화와 크립의 영향을 무시할 수 있는 낮은 온도인 250~500°C에서 열적 기계적 피로 실험을 수행하였다. 위상차에 따라서 열적 기계적 피로 수명이 조금씩 달라지는 것을 관찰하였다. 위상차에 따라 서로 다른 평균응력이 발생하였고, 이것과 온도의 영향을 고려할 수 있는 수명예측모델을 제안하였다. 인장강도를 이용하여 온도에 이해 재료가 받는 손상과 재료의 저항력에 미치는 영향을 고려하였다. 기존에 많이 사용되는 소성변형률에너지를 이용한 수명식에 평균 응력을 이용하는 항을 하나 추가하여 새로운 수명식을 제안하였다. 이를 이용해서 저주기 피로와 열적 기계적 피로 수명을 2x scatter 범위 내에서 예측할 수 있었다. 산화와 크립의 영향이 중요해지는 높은 온도인 400~650°C와 450~700°C에서 열적 기계적 피로 시험을 수행하였다. 기존의 연구 결과와는 다르게 위상차에 따라서 피로 수명이 달라지는 것을 발견하였다. 400~650°C에서는 counter-clockwise-diamond-phase의 경우에 수명이 가장 낮게 나왔으며, 450~700°C에서는 in-phase 일 때 수명이 가장 낮았다. 변화하는 온도의 영향을 쉽게 고려해 줄 수 있는 Zener-Holloman parameter를 이용하여 열적 기계적 피로 동안 발행하는 크립의 양을 예측하였다. 예측된 크립양을 이용할 경우 450~700°C 경우는 위상차와 피로 수명과의 관계가 쉽게 설명되었지만, 400~650°C 경우에는 예측된 크립양만으로는 설명이 부족하였다. 400~650°C에서의 위상차와 열적 기계적 피로 수명과의 관계를 설명하기 위해 이력곡선을 이용한 정성적인 모델을 제안하였다. 550°C 이상에서 크립이 발생하고, DSA는 300~500°C 에서 발생한다고 했을 때, 크립과 DSA는 상호작용하는 경쟁관계에 있게 된다. 이력 곡선 위에 크립과 DSA의 영역을 표시하고 비교했을 때, counter-clockwise-diamond-phase의 경우에 크립의 영향이 최대가 됨을 발견할 수 있었다. TEM으로 관찰한 결과도 이력곡선을 이용한 정성적인 모델이 예측했듯이, counter-clockwise-diamond-phase의 경우에서만 크립 영역에서 관찰되는 equiaxed 전위 구조가 관찰되었고, 나머지 경우에는 DSA 영역에서 관찰되는 planar 전위 구조가 관찰되었다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 13004
형태사항 x, 110 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Keun-Ho Bae
지도교수의 한글표기 : 이순복
지도교수의 영문표기 : Soon-Bok Lee
수록잡지명 : "Competing damage mechanisms in the thermo-mechanical fatigue of AISI 304L stainless steel". Materials Science & Engineering A, 529, pp.417-424(2011)
수록잡지명 : "A simple life prediction method for 304L stainless steel structures under fatigue-dominated thermo-mechanical fatigue loadings". Materials Science & Engineering A, 529, pp.370-377(2011)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 참고문헌 : p. 107-110
주제 열적 기계적 피로
304L
위상차
크립
동적변형시효
thermo-mechanical fatigue
TMF
304L
phase angle
creep
DSA
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