Super304H 강재의 크리프 변형 / 파열 거동 및 미세 구조 변화 특성 = Characterization of Creep Deformation/Rupture Behavior and Microstructural Changes of Service-Exposed Super304H Steel

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Super304H steel is an improved version of high-temperature material developed from an 18Cr-8Ni austenitic stainless steel. Significantly enhancement was achieved in creep strength by adding Cu, Nb, and N to 18Cr-8Ni steel. With excellent corrosion/oxidation resistance and mechanical properties at high temperature, Super304H steel has been widely used in thermal power plants. With long-term serviced and aged materials of Super304H steel, creep properties and microstructural characteristics were investigated in this study.
Series of small punch (SP) creep tests were performed under various loads in the range from 400 to 500 N at temperature 650oC for the virgin and service-exposed Super304H steel materials after 54,750 h and 68,550 h. Using the SP creep curves obtained, the Larson-Miller parameter (LMP) and Norton’s secondary creep power law were used to analyze the test results. The creep rupture strength was compared among the virgin and service-exposed materials in terms of LMP. The creep rupture time of the 68,550 h serviced material was shorter than that of the virgin and 54,750 h serviced materials in the low load levels, suggesting the possibility of creep damage early. Based on metallurgical analysis results, the coarsening of the M23C6 precipitates along grain boundaries created an adjacent Cr-depleted zone that caused the formation of creep cavities. These microstructural degradations were caused the reduction in the creep rupture strength of service-exposed materials.
In order to evaluate the relationship between SP creep test and miniature tensile creep test, a set of empirical equations that can convert SP applied loads (N) into equivalent stresses (MPa) and punch displacement rates (mm/h) into equivalent creep strain rate (1/h) was established. Using conversion equations, it is shown that creep constants obtained from the SP creep test are in a good agreement with those from the miniature tensile creep test. Moreover, the ratio between SP load and equivalent stress tends to increase with the increase in service time.
In addition, creep rupture life can be predicted using the Larson-Miller parameter and Monkman-Grant relation. After long-term service, microstructural changes were estimated by using optical microscopy, scanning electron microscopy, field-emission electron microscopy, transmission electron microscopy, and X-ray diffraction analysis.

국문 초록 (Abstract)

Super304H 강은 18Cr-8Ni 오스테나이트 계 스테인레스 강으로 개발된 고온 소재로 개선된 재료이다. 18Cr-8Ni 강에 Cu, Nb 및 N을 첨가함으로써 크리프 강도가 크게 향상되었다. 우수한 내식성 및 내산화성과 고온에서의 향상된 기계적 특성을 지닌 Super304H 강은 화력 발전소에서 널리 사용된다. 본 연구에서는 Super304H 강재의 장기간 사용 및 시효된 재료에 대해 크리프 특성 및 미세 구조 특성을 연구하였다.
Super304H 신재와 54,750 시간, 68,550 시간의 사용이력이 있는 사용재에 대하여650oC시험 온도 하에서 400~500 N 의 다양한 하중 조건으로부터 소형 펀치 (SP) 크리프 시험이 수행되었다. 시험 결과, SP 크리프 곡선으로부터 Larson-Miller 매개 변수 (LMP) 와 Norton의 2 차 크리프 멱급수 법칙을 사용하여 결과를 분석하였다. 크리프 파단 강도는 LMP 측면에서 신재 및 사용재 간에 비교되었다. 68,550 시간 사용재의 크리프 파단 시간은 신재 및 54,750시간 사용재의 크리프 파단 시간보다 짧았고, 이는 크리프 조기 파단의 가능성을 의미한다. 금속학적 분석 결과를 바탕으로, 결정립계의 조대화된 M23C6 석출물이 인접한 Cr이 고갈 구역을 만들어 크리프 기공을 형성한다. 이러한 미세 구조적 열화는 사용재의 크리프 파단 강도 감소를 야기하였다.
SP 크리프 시험과 소형 인장 크리프 시험의 관계를 평가하기 위하여 SP 적용 하중 (N)을 인장 크리프에 해당하는 등가 응력 (MPa) 으로, 펀치 변위 속도 (mm/h)를 등가 크리프 변형률 속도 (1/ h) 로 변환할 수 있는 경험식을 제시하였다. 제시된 변환 방정식을 사용하여 SP 크리프 시험에서 얻은 크리프 상수가 소형 인장 크리프 시험에서 얻은 크리프 상수로의 변환이 가능함을 확인하였다. SP 하중과 등가 응력의 비는 재료의 사용 시간의 증가에 따라 증가하는 경향을 보였다.
크리프 파단 수명은 Larson-Miller 매개 변수와 Monkman-Grant 관계를 사용하여 예측할 수 있다. 장기간 사용된 사용재에 대해 광학 현미경, 주사 전자 현미경, 전계 방출 전자 현미경, 투과 전자 현미경 및 X 선 회절 분석을 이용하여 미세 구조 변화를 평가하였다.

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER I: INTRODUCTION 1
• 1.1 Motivation 1
• 1.2 Objectives and Tasks 4
• 1.3 Thesis outline 7
• CHAPTER II: LITERATURE REVIEW 9
• 2.1 Creep curves 9
• 2.2 Creep mechanisms 12
• 2.2.1 Diffusion creep 14
• 2.2.2 Dislocation creep 14
• 2.2.3 Grain boundary sliding 17
• 2.3 Small punch creep test 17
• 2.4 Material creep constant determination 21
• 2.5 Creep life prediction methods 22
• 2.5.1 Larson-Miller parameter 22
• 2.5.2 Monkman-Grant relation 24
• 2.6 Austenitic stainless steel 25
• 2.7 Influence of alloying elements in austenitic stainless steel 26
• 2.8 Precipitates in austenitic stainless steel 28
• 2.8.1 MX precipitates 28
• 2.8.2 M23C6 precipitates 29
• 2.8.3 Others precipitates 29
• CHAPTER III: EXPERIMENTAL PROCEDURE 31
• 3.1 Materials 31
• 3.2 Small punch creep testing method 34
• 3.2.1 Specimen machining for SP creep test 34
• 3.2.2 Assembling the small punch creep test 37
• 3.2.3 Testing environment 39
• 3.2.4 Testing procedure 41
• 3.2.5 Reduce data and seven points incremental polynomial method 42
• 3.3 Metallurgical methods 43
• 3.3.1 Specimen preparation 43
• 3.3.2 Optical microscopy (OM) 43
• 3.3.3 Scanning electron microscopy (SEM) and field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM) 44
• 3.3.4 Transmission electron microscopy (TEM) 44
• 3.3.5 X-ray diffraction 45
• CHAPTER IV: RESULTS 46
• 4.1 Experiment results 46
• 4.1.1 Small punch creep test results 46
• 4.1.2 Miniature tensile creep test results (reference data) 51
• 4.2 Fracture surface of creep rupture specimens 53
• 4.3 Microstructural analysis results 54
• 4.3.1 OM results 54
• 4.3.2 X-ray diffraction results 56
• 4.3.3 SEM and TEM results 59
• 4.3.3.1 Virgin microstructure 59
• 4.3.3.2 Service-exposed microstructure 62
• 4.3.3.3 Creep damages 68
• CHAPTER V: DISCUSSION 71
• 5.1 SP creep test curves 71
• 5.2 Prediction of creep rupture life 73
• 5.2.1 Larson-Miller parameter method 73
• 5.2.2 Monkman-Grant relation 74
• 5.3 Determination of creep properties 77
• 5.4 Correlation between SP creep test and miniature tensile creep test 81
• 5.4.1 Process for determining conversion equations 81
• 5.4.2 Relationship between load and equivalent stress 83
• 5.4.3 Relationship between punch displacement rate and equivalent creep strain rate 95
• 5.5 Microstructural analysis 98
• 5.5.1 Austenitic grain size 98
• 5.5.2 Average size of precipitate 99
• 5.5.3 X-ray diffraction analysis 103
• 5.5.4 Virgin microstructure 105
• 5.5.5 Service-exposed microstructure 107
• 5.5.5.1 Nb(C, N) precipitates 107
• 5.5.5.2 Cr-rich M23C6 precipitates 108
• 5.5.5.3 Precipitation of Cu particles 111
• 5.5.5.4 Creep damages 112
• 5.6 Discussion about SP creep test and microstructure results of 77,000 h serviced material 114
• CHAPTER VI: CONCLUSIONS AND FUTURE WORK 119
• 6.1 Conclusions 119
• 6.2 Future work 122
• REFERENCES 123
• 국문초록 132