The variations of magnetic properties and Barkhausen noise (BN) characteristics on the microstructural evolution, induced by isothermal annealing and isochronal tempering of 12\% CrMoV steel and cold rolling of ASTM A 508 reactor pressure vessel (RPV) steel, have been investigated to evaluate degraded structural materials nondestructively. In the isothermally annealed specimens, a rapid decrease in coercive force(Hc), remanence (Br), hysteresis loss (Wh) and hardness took place in accordance with the release of internal stresses from supersaturated martensite after annealing for only 20 minutes at 923 K. The induced noise voltage picked up by the BN sensor is proportional to the pinning force of the domain walls by defects and the sweep-out volume by domain wall in the course of irreversible displacement. BN energy is correspondingly related with three stages of microstructural evolution such as the recovery of strain energy, the increase of precipitates size as a result of Ostwald ripening and the annihilation of dislocation density during isothermal annealing. In the isochronally tempered specimens, a secondary hardening characteristic appears with an increase to a peak of 47.5 HRC, typically after 1 hr at the tempering temperature of 773 K, followed by overaging. The first effect of tempering is a slight increase in the structure-sensitive magnetic properties of Hc, Br and Wh, regardless of austenitizing temperatures, followed by a quite rapid magnetic softening with a minimum at about 1023 K. Then, the magnetic properties increase abruptly from 1073 K by passing the Curie temperature of 1041 K for pure iron. The variation of the BN energy with tempering temperature exhibits an inverse relation with that of structure-sensitive magnetic properties. In the plastically deformed ASTM A 508 RPV steel, BN parameters of BN energy, BN counts and BN peak amplitude, measured by surface type BN sensor, decrease with plastic deformation due to the hindrance of domain wall motion by the increased pinning sites induced by the formation of dislocation tangle and cellular structure of the cold rolled RPV steel, while hardness increases steadily due to work hardening. The profile of BN energy is nearly the same as that of the BN counts above threshold voltage, which indicates that both measurements are useful and the background noise in the induced BN profile is negligible influence on the measurement of BN counts by adopting an appropriate threshold voltage. The linear relations between hardness and each of BN parameters are observed in the magnetization region of irreversible domain wall displacement. It is found that the hardness and microstructural evolution of imitated degradation materials could well be evaluated nondestructively by using micromagnetic measurements of BN energy, BN counts, BN peak amplitude and structuresensitive magnetic properties.
기존 원전설비의 잔여수명평가, 가동수명연장 방안 연구 그리고 최근 활발히 연구되고 있는 장수명 신형 원전설비에 있어서, 구조용 재질에 대한 재질 열화상태의 신뢰성 있는 비파괴 평가방법 개발이 절실히 요구되고 있다. 비파괴 평가 방법으로 현재 주로 사용되고 있는 초음파, 와전류, 방사선 투과 및 자분 탐상법 등은 재료 내부의 기공이나 결함등의 비연속성 을 검출하여 재질의 파괴역학적 해석에 필요한 기본자료 제공에는 유용하나, 최근에 중요시 되고 있는 발전설비의 장기가동에 따른 구조용 재질의 노화와 관련된 각종 미세조직상 열화상태의 평가에는 한계를 가졌다. 따라서, 본 연구에서는 12\% CrMoV강에 등온어닐링 및 등시소둔 열처리와 ASTM A 508 압력용기강에 냉간가공을 이용한 소성변형으로 재질내에 석출물 생성 및 성장, 전위밀도 증가 및 감소, 잔류응력 변화 등과 같은 미세조직의 변화를 유기시켜서 열화상태를 모사한 시편에 Barkhausen Noise (BN)와 항자력, 보자력, 포화자기 및 자기이력손실 등 자기특성을 측정하여 해석하는 미소자성(micromagnetic) 기법으로 원전의 주요 구조용 재질에 대한 열화상태를 비파괴적으로 평가하고자 시도하였다. 먼저, 등온어닐링된 12\% Cr강의 자기특성들은 923 K 에서 약 20분정도 어닐링함에 따라 과포화된 마르텐사이트 조직내에 내부응력이 해소됨과 더불어 급속히 감소했으며, BN 에너지는 어닐링에 따른 미세조직 전개의 3 단계인 소성 변형에너지의 회복, 석출물 생성 및 성장, 전위밀도 감소과정에 대응되어 해석되었다. 등시소둔 시편에서는 2 차 경화특성이 경도측정에서 나타났으며, 773 K 에서 1 시간 소둔했을때 47.5 HRC로서 최대가 되었다. 자기특성들은 2 차 경화구역에서 조금 증가하다가 급속한 자성연화에 따라서 1023 K에서 최소가 되었다. 소둔온도가 1073 K인 시편은 공냉시 순철의 자기변태 온도인 1041 K를 지나면서 갑자기 자성적으로 경화되어서 자기특성들이 증가하였다. BN 에너지는 자기특성과 반대로 변했으며, 이는 BN 탐촉자에 유기된 전압이 결함과 자벽의 고착력 및 비가역적으로 자벽이 휩쓸고 지나간 부피에 의존함과 관련되어서 설명되었다. 1223, 1323 그리고 1423 K에서 각각 오스테나이트화 한후 등시소둔 처리된 12\% Cr강의 자기특성 및 BN 에너지는 소둔온도 의존성이 저온 및 고온 소둔시에 현저하게 나타났는데, 이는 prior 오스테나이트 입도와 비용해성 석출물 및 잔류 오스테나이트로서 설명되었다. 소성 변형된 ASTM A 508 원자로 압력용기강에서는 BN 해석의 제인자인 BN 에너지와 임계치 이상의 BN 펄스 갯수 및 BN 첨두진폭등이 소성변형과 더불어 감소함을 보였는데 이는 냉간가공에 따라 전위 및 공공밀도가 증가하면서 전위구조가 Tangle 및 Cellular 구조로 되어 자기적으로 경화 되었음을 반영하고 있다. 특히 BN 에너지와 임계치 이상의 BN 펄스 수는 거의 동일한 개형을 나타내므로, 재질 열화평가시 두 방법 모두가 유용함을 알 수 있었으며, BN 임계진폭치의 적절한 설정으로 BN 펄스 수 계산시 주변 잡음의 영향을 배제시킬 수 있음을 알았다. 또한 본 연구의 실험결과에 의하면 자화시 자벽의 비가역적인 이동영역에서 구한 BN 에너지와 대표적인 기계적 특성인 경도는 선형적 관계를 가진다. 따라서, 원전의 각종 구조용강의 미세조 직상 열화상태는 자벽(magnetic domain wall)의 이동시 이들 결함과 자벽이 상호작용하여 일어나는 자속변화 측정에 근본을 둔 BN 해석과 자성특성을 이용한 미소자성기법으로 평가될 수 있음을 알았다.
