Type 316L 스테인리스강의 700°C에서의 저사이클 피로 거동 및 수명 평가

하도현,김선진,이형연,이제환 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集A Vol.46 No.7

This study aims to investigate the low cycle fatigue behavior of Type 316L stainless steel at a high temperature of 700°C. Type 316L stainless steel is considered as a candidate materials for a thermal energy storage (TES) system. Fully reversed strain controlled low cycle fatigue tests were conducted with to total strain ranges of 0.4%, 0.6%, 0.8%, 1.0% and 1.2% under a constant strain rate of 10-3/s at 700°C. All the total strain ranges showed an initial cyclic hardening behavior, followed by a saturation area for a certain period of time, and then fractured after cyclic softening. The low cycle fatigue life decreased as the total strain range increased. The fatigue life was evaluated by the Coffin-Manson-Basquin method, and the predicted low cycle fatigue life was found to coincide well with the experimental data. 본 연구에서는 Type 316L 스테인리스강에 대해 700°C에서의 저사이클 피로 거동 및 수명 예측을 수행하였다. Type 316L 스테인리스강은 현재 한국원자력연구원이 개발 중에 있는 대용량 고온 열에너지 저장(TES) 성능시험장치의 후보 재료 중 하나이다. 저사이클 피로시험은 700°C에서 완전 양진 변형률 제어로 수행하였으며 0.4%, 0.6%, 0.8% 1.0% 그리고 1.2%의 서로 다른 전변형률 범위에서 10-3/s의 일정한 변형률 속도로 수행하였다. 저사이클 피로수명은 전변형률 범위가 증가할수록 감소하였다. 모든 전변형률 범위에서 초기 반복 경화 거동을 나타내었으며, 이후 유지영역이 일정 기간 뒤따르며 반복 연화 후 파괴되는 현상을 보였다. 수명평가는 Coffin-Manson-Basquin 모델 기반으로 수행하였으며 예측된 저사이클 피로수명은 시험 데이터와 잘 일치하는 것으로 나타났다.

Type 316L SS의 700°C 설계 적용을 위한 고온 피로 물성의 제시

하도현,이형연,김선진,어재혁 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集A Vol.46 No.12

Currently, Type 316L stainless steel (316L SS) is being used as the structural material for the hot storage tank, heat exchanger, and hot leg of the 700°C large-scale thermal energy storage verification test loop currently under construction at KAERI. In this study, various high-temperature design rules and standards applicable to pressure vessels were studied via the piping of 316L SS in a large-capacity thermal energy storage system under a design temperature of 700°C to determine the high-temperature material properties and design coefficients. The results revealed the absence of many material properties required for the application of 316L SS in high-temperature design. Therefore, to cater for the missing material properties, low-cycle fatigue tests were performed at 700°C on 316L SS with two heats, and the relevant design coefficients and fatigue strengths were proposed to allow the application of 316L SS in high-temperature designs. 현재 한국원자력연구원에서는 700°C 대용량 열에너지저장(TES) 검증 시험장치를 구축중에 있으며 고온 축열조, 열교환기 및 배관계통의 구조재료로 Type 316L 스테인리스강을 선정하였다. 본 연구에서는 설계온도 700°C의 대용량 열에너지저장 검증 시험장치 내 Type 316L강 재질의 압력기기 및 배관계통에 적용할 수 있는 고온 설계기술기준인 RCC-MRx의 고온 부재 물성과 설계계수의 결정을 위한 연구개발을 수행하였다. Type 316L 스테인리스강은 700°C 고온 구조 설계에 적용하는 데 있어 다수의 재료물성치가 부재 상태에 있다. 부재 물성을 확보하기 위해 두 가지 heat의 Type 316L 스테인리스강에 대해 700°C에서 일련의 저주기 피로시험을 통해 피로강도 물성을 결정하고, 700°C에서의 피로설계가 가능하게 하도록 관련 설계계수를 제시하였다.

Type 316L 스테인리스강의 고온 저사이클 피로 거동

하도현(Do-Hyun Ha),김선진(Seon-Jin Kim),이형연(Hyeong-Yeon Lee),이제환(Jewhan Lee) 대한기계학회 2022 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2022 No.3

온도에 따른 오스테나이트계 내열강의 항복비의 이해

하도현(Do Hyun Ha),오세희(Sae Hee Oh),노영진(Young Jin Roh),김찬중(Chan-Jung Kim),김선진(Seon Jin Kim) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4

일반적으로 내열강의 경우도 온도가 상승함에 따라 인장강도 및 항복강도는 감소한다. 내열강은 통상 500℃ 이상의 온도에서 잘 견디는 강을 의미한다. 따라서 내열강은 500℃ 이상의 온도에서 사용하는 것으로 고온에서 강도가 우수하고, 특히 구조 부재로 사용되기 위해서는 크리프 한도가 높고, 고온 산화 및 부식에 대한 저항성이 우수해야 한다. 내열강이 장시간 동안 고온 고압 등의 극한 환경에 노출될 때 각종 기계적 특성의 현저한 감소를 수반하게 된다. 그럼에도 불구하고 고온환경에서 사용되는 기기 및 플랜트의 효율 향상과 경제성을 위하여 점점 가동 온도를 보다 높게 설정하고 있는 추세에 있다. 특히 내열강 재료 중 700℃ 이상의 초고온에서 사용되는 재료의 경우, 특히 차세대 원자력발전소와 같은 구조물의 구조 부재의 설계에는 그 설계 요구조건을 만족하기 의하여 크리프 한도 및 피로 특성에 대한 엄격한 요구와 이에 관련된 기계적 물성 데이터의 수집 및 평가가 필요하다. 이들 재료의 신뢰성 있는 소재 개발과 설계 기술 개발을 위해서는 고온에서의 물성에 대한 명확한 이해와 데이터의 축적이 요구된다. 항복비란 인장강도에 대한 항복강도의 비(항복강도/인장강도)로 정의되는 개념으로, 0에서 1의 범위를 가지며, 항복비가 크면 클수록 항복강도와 인장강도의 차이가 더 적고, 통상적으로는 소성과 취성이 더 심하게 된다는 것을 의미한다. 즉, 취성재료의 특성을 갖는다고 할 수 있다. 낮은 항복비는 항복에서 소성 불안정까지 변형에 대한 높은 저항을 의미한다. 즉 안전의 관점에서는 낮은 항복비를 가져야 함을 의미한다. 이는 재료의 미세조직과 밀접한 관계가 있는 것으로 보고되고 있다. 또한 항복비는 재료의 기계적 및 파괴 거동과 밀접한 관계가 있는 것으로 알려져 있다. 재료의 종류에 따라서 혹은 동일 재료도 온도에 따라서 이들 항복비는 항상 일정하지 않을 것으로 기대된다. 항복비에 대한 이해는어떤 재료의 성능을 평가하고 고온에서의 여러가지 특성, 특히 반복 하중의 작용에 의한 반복 변형률반응 거동 등을 평가하는데 유용하게 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서는 인장시험 결과에대한 출판된 문헌자료를 조사하여 먼저 오스테나이트계 내열강과 페라이트계 내열강에 대하여 비교 검토하고, 특히 여러 가지의 오스테나이트계 내열강에 대한 온도에 따른 항복비를 결정론적인 개념으로 이해하고자 하였다. Generally, heat resisting steel refers to the steel with capability of resisting scaling at temperature higher than 500℃. They have got good mechanical properties at this temperature, and especially, for utilization as the structural components of very high temperature reactor (VHTR) system, excellent creep resistance, oxidation resistance and creep-fatigue resistance are required. The present study is to investigate the yield ratio of various austenitic heat resisting steel according to temperature. The main emphasis has been placed on understanding of knowledge on the effect of yield ratio (yield strength/ultimate tensile strength) on the temperature, from the published literature review. The yield ratios of austenitic heat resisting steel (example, 18Cr-12Ni-Mo Stainless Steel) vary 0.35 ~ 0.65 according to the testing temperature. The yield ratios of ferrite steel (example, 1Cr-!Mo-0.25V Steel) vary 0.75 ~ 0.85 according to the temperature. The austenitic heat resisting steel showed lower the yield ratio than the ferrite steel. In austenitic heat resisting steels, the yield ratio was decreased with increasing to 600℃, then increased with increasing to 800℃, and finally decreased with increasing to 1000℃.

고속철도(KTX)용 제동디스크의 국산화 개발을 위한 항복비의 특성 평가

하도현(Do-Hyun Ha),김효진(Hyo-Jin Kim),조준영(Joon-Young Jo),장효재(Hyo-Jae Jang),이태영(Tae-Young Lee),김용신(Yong-Shin Kim),김선진(Seon-Jin Kim) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.11

The role of the brake system is important for the safe operation of high-speed rail. Currently, the brake disc, which is an important part of the brake system, is entirely dependent on imported products, and it is necessary to secure the design and manufacturing technology of the brake disc. In railway vehicles, the maximum temperature of the brake disc surface can reach 600°C, which can lead to a potential hazard accompanied by thermal fatigue. Therefore, high fatigue resistance and LCF behavior of the brake disc are very important. In this study, as a series of processes for localization development of brake disks, before LCF testing of brake disk materials, the effects of the mechanical properties and characteristics of the yield ratio on temperature are evaluated. As a result of the tensile test, it was shown that the mechanical properties according to the temperature were superior to those of other materials.

고온에서 Alloy 617 및 Alloy 800H의 반복 응력 반응 거동

김선진(Seon-Jin Kim),하도현(Do-Hyun Ha),오세희(Sae-Hee Oh),김우곤(Woo-Gon Kim),김응선(Eung-Seon Kim) 대한기계학회 2020 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2020 No.12

대용량 열저장 성능 시험장치용 내열강의 고온 재료거동 특성

이형연(Hyeong-Yeon Lee),하도현(Do-Hyun Ha),이제환(Jewhan Lee),어재혁(Jaehyuk Eoh) 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集A Vol.46 No.6

재생가능 에너지원의 간헐성을 극복하기 위한 유망한 방안 중의 하나는 대용량 열에너지 저장(TES) 시스템을 활용하는 것이며, 최근 TES 개발 연구는 고효율의 구현을 위해 설계 온도가 상승하는 추세에 있다. 본 연구에서는 설계온도 700°C의 대용량 열에너지 저장 성능시험장치 내 압력기기 및 배관계통에 사용될 수 있는 내열강 후보재료의 고온 재료 물성 현황과 거동 특성에 대해 분석하였다. 고온에서 가동되는 설비인 만큼 높은 신뢰성이 요구되는 TES 시스템용 내열강 후보재료 중 원자력 및 비원자력 기술기준에 등재되어 있는 내열강들을 중심으로 크리프 강도, 설계 응력강도 등의 재료 거동을 비교 분석하였다. 700°C 설계 평가와 관련하여 설계기술기준의 부재 물성을 분석하고, 부재 물성 중 일부 물성은 재료시험을 통해 확보하였다. One of the promising ways to overcome the intermittency of renewable energy sources is to utilize a large-scale thermal energy storage system. The recent research and development of TES systems have suggested increasing the design temperature to obtain higher efficiency. In this research, analyses were conducted on the current status and behavior characteristics of heat resistant candidate materials used in pressure boundary components and piping systems in large-scale thermal energy storage performance test facilities, using a design temperature of 700°C. Comparative analyses were conducted on the material behaviors of candidate materials, such as the creep rupture strengths and design stress intensities of the codified materials in the design rules of nuclear-grade and non-nuclear-grade; because the facility was operating at high temperatures, thereby requiring high levels of reliability. In addition, analyses on the absent material properties in the design rules from a 700°C high-temperature design evaluation viewpoint, were conducted, where some of the absent material properties were obtained from material tests.