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제 5 장 고 온 강 도. 5.1 고온에서의 변형과 파괴 a. 고온변형의 미시적 양상 재료 융점의 1/2 이상의 온도에서는 재료중에 공극의 농도가 높게되고 , 원자의 확산이 쉽기 때문에 전위의 슬립면내에서의 운동과 확산을 동반한 상승운동이 함께 발생함으로 상온에서보다 변형이 생기기 쉽게 된다 . (i) 고온 크리프의 특징 1) 크리프 (creep) : 재료에 일정한 응력이 작용할 때 생기는 변형의 시간적 변화 . ( 금속의 고온 변형에서 많이 나타남 )

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Presentation Transcript
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제 5 장 고 온 강 도

5.1 고온에서의 변형과 파괴

a. 고온변형의 미시적 양상재료 융점의 1/2이상의 온도에서는 재료중에 공극의 농도가 높게되고, 원자의 확산이 쉽기 때문에 전위의 슬립면내에서의 운동과 확산을 동반한 상승운동이 함께 발생함으로 상온에서보다 변형이 생기기 쉽게 된다.(i) 고온 크리프의 특징 1) 크리프(creep) :

재료에 일정한 응력이 작용할 때 생기는 변형의 시간적 변화.( 금속의 고온 변형에서 많이 나타남)

2) 크리프 곡선(creep curve):

어떤재료의 고온에서의 사용가능성을 알기 위해 응력이나, 온도를 변수로 하여 변형또는 연신을 종축으로 취하고, 시간을 횡축으로 취한 결과를 나타낸 곡선

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(1) 크리프 곡선의 형상a) 초기신장(initial elongation) :

하중을 가하는 순간에 탄성변형과 시간에 의존하지 않는 소성변형의 합으로 순간적인 변형 (εc)

b) 제1차 크리프 (천이크리프) :

초기단계를 지나면 비교적 높은 속도로 소성변형이 증가하다 점점 크리프에 의해서 새롭게 하부조직이 형성됨으로 인해 크리프변형속도가 저하되는 구간

c) 제2차 크리프 (정상크리프) :

일정한 변형속도를 나타내는 영역으로 고온크리프의 기초적 연구 대상이 되고 있는 영역

d) 제3차 크리프 (가속크리프) :

변형속도가 점차로 증가하면서 부재에 수축(necking)이 생기고 짧은 시간내에 파단에 이르는 영역.

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(2) 온도 •응력 의존성

- 온도, 응력이 높을수록 크리프 변형속도가 증가.- 크리프는 확산지배에의 미시적기구에 의해 발생. (그림 5.2 참조)- 크리프의 온도의존성 : 온도범위에 따라 크리프변형속도는 달라지고, 특정 온도에서 상변태, 자기변태를 동반하여 이들의 영향도 받음.- 정상크리프속도의 응력의존성 : 자승법칙 을 따르며, 응력지수는 응력레벨에 따라 다르다. 응력레벨 이상에서는 지수법칙이 성립. (그림5.3)

(3) 결정립경 의존성

- 고온크리프에 있어서의 다결정체 입계는 전위 및 공극의 형성, 소멸의 장소로 작용됨. 입경이 작을수록 입계밀도가 증가되고, 입계슬립이 증대되어 결국, 정상크리프속도는 증가하게 된다.

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ii) 고온크리프에서의 조직변화- 결정립 내에 부결정립 (subgrain) 형성 : 부결정립은 전위를 흡수, 방출하면서 운동전위와 상호작용을 하여 전위운동에 장애물로 작용, 천이•정상크리프변형속도가 감소하고 일정하게 되는 이유

iii) 변형기구 영역도- 특정의 변형기구가 작용하는 온도,응력범위를 나타내는 그림.

- 순철의 변형기구 영역도 (그림 5.6)에 고온크리프에서 문제가 되는 저응력 레벨에서의 입계확산크리프가 넓은 온도범위에서 작용하는 것을 나타내고 있다.

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b. 고온변형의 미시적 양상

i) 고온크리프파괴

고온크리프의 파괴과정 : 입계에 공극의 핵형성 -> 성장 -> 합체 및 파단.

고온입계파괴기구: 1) 입계슬립에 의한 쇄기형 공극, 2) 입계상에 생성되는 구형 공극의 응집에 의한 응력집중 입계파괴ii) 고온피로파괴

고온에서 반복응력이 작용하면 입계이동과 입계슬립이 응력축에 45°방향으로 배열되어다이아몬드 조직(그림 5.8)을 형성하고 입계파괴를 일으킨다.

iii) 고온입계파괴에 대한 입계의 성격·구조의 영향

랜덤입계가 고밀도로 존재하는 경우, 전형적인 입계파괴가 생기고, 연성을 저하시킴.

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5.2 고온 크리프

a. 크리프 강도고온압력용기의 설계 허용응력 (ASME Boiler and pressure Vessel Code)

① 실온에서 규격 인장강도 최소값의 1/4

② 각 온도에서 인장강도의 1/4, 항복점의 5/8

③ 105 h 후 허용변형률 1%를 발생시키는 응력의 평균값

④ 105 h 크리프 파단강도의 평균값의 67% 또는 최소치의 80%

허용응력을 규정하는 크리프강도 종류

① 크리프변형강도 - 크리프해석

② 크리프파단강도 - 수명추정

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b. 크리프 변형률i)크리프 해석1) 응력의 자승법칙 크리프 식을 사용하여수치해석으로 해석해를 구함.

2) 다음식을 사용한 계산

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ii) 완화- 시간과 함께 응력이 감소하는 현상

- 정상크리프영역이 일정한 변형속도를 나타내는 것 또한, 완화에 의한 것으로, 경화에 의해 변형속도가 감소하는 것과 완화에 의한 변형속도 증가가 비슷하게 되어 나타나는 현상.

- 재료내에 크리프가 발생하기 때문에 완화현상이 나타남.

- 예) 고온에서 사용되는 플랜지볼트의 체결력, 주조와 용접등의 잔류응력 III) 크리프좌굴1) 크리프 붕괴시간 : 초기처짐이 시간이 지남에 따라 증대하고, 유한시간에서 처짐속도가 무한대로 되는 것.

2) 크리프 불안정시간 : 동적기준에 의한 것으로 구조물의 역학적 성질이 시간의 경과에 따라 변화하고 어느정도 시간이 지나면 미소한 외란에 의해 구조물의 진동이 발산하는 것.

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c. 크리프 파괴

i) 크리프 파단강도

크리프파단곡선 : 일정온도, 일정하중하의 인장크리프 파단시험에 의해 얻어지는 초기응력과 파단시간의 관계도. (그림 5.12)

ii) 크리프 파단강도의 외삽법

외삽법 : 단시간 크리프파단시험의 결과에 의해 105 h 의 장시간 크리프 파단강도를 추정하기 위한 방법Larson-Miller법 : 여러가지 응력 및 온도에 대한 크리프파단 데이터를 Larson-Miller 파라미터(P)로 정리하여 P관계가 하나의 곡선으로 나타낼 수 있도록 한 것. (그림 5.13)

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iii) 노치의 영향

노치강도비-NRSR (notch rupture strength ratio) : o/n

노치강화: NRSR = o/n > 1

온도가 낮은 경우 노치강화인 것이 온도가 높게 되면 어느 시간대에서 노치약화로 (크리프파단 연성이 저하하고, 노치바닥에서의 균열이 발생 및 전파속도가 증가)되고, 더 고온이 되면 다시 노치강화로(노치바닥 응력의 다축성에 의하여 변형이 구속되고 크리프가 생기기 어렵게 됨) 바뀌는 경향을 보임.

iv) 크리프균열의 발생과 진전

정상크리프 단계에서 균열길이가 증가함과 동시에 새로운 균열이 계속 발생하고, 가속크리프 후반에서는 주균열들이 합쳐지면서 진전하여 균열길이는 급증하지만, 균열 개수는 증가하지 않는 것으로 크리프파괴로서 입계파괴가 생기는 경우의 일반적인 경향이다.

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5.3 고온 피로

a. 고온피로강도

고온에서의 S-N곡선 :

1) 반복수와 함께 피로강도는 저하하고, 탄소강도 고온에서는 피로한도가 존재하지 않음. 고온피로강도를 나타내는 경우 반복수를 지정해서 고려해야 한다.

2) 고온피로에서도 응력의 반복속도가 빠른 경우 - 파괴수명은 반복수 N으로 결정,

3) 변형률속도가 늦는 경우와 온도가 높은 경우 - 크리프의 영향과 반복속도의 영향이 있음. 즉, 저사이클피로의 경우 변형률 조건에 대한 파괴수명이 온도의존성을 보임.

4) 고온저사이클 피로수명이 변형률속도가 늦어질수록(그림의 흑색점) 낮아지는 경향을 보임.

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b. 고온피로의 특징

  • 고온피로 과정 :
  • 피로미소균열의 핵생성과 성장  응력 또는 변형률 집중역에서 미시적 균열의 진전  파단에 이르는 거시적 균열 진전
  • 고온피로균열거동 지배 인자 :
  • 비탄성 변형률 범위와 함께, 온도, 시간, 산화성 분위기, 시효, 회복, 파괴형태의 변화
  • i) 반복속도효과, 부하파형효과, 노치의 영향
  • 거시적 피로균열진전 법칙 (식 5.11)을 N에대해 적분하여 (식 5.12) 반복속도 수정피로 수명식이 얻어지며, 온도에 의존하는 재료상수 k값에 따라 각기 다른 파괴형태를 보임.
  • p((k-1)Nf)=C (식 5.12)
  • (k-1)Nf : 반복속도 수정피로 수명
          • k=1 : 반복수 의존형의 입내파괴
          • k=0 : 시간의존형 입계파괴
          • 0<k<1 : 양자(반복수, 수간의존형) 파괴형태
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(i) 0.1Hz  5Hz : 수명은 주파수에 의존하지 않음. 파면은 스트라이에이션만이 존재하는 입내파괴,  > 1 로 되면서 노치약화가 나타남.

(ii)10-4Hz  0.1Hz (삼각파) :수명은 주파수에 의존하지만, 시간 의존과 반복수 의존이 혼재하는 영역,  > 1 로 되면서 노치약화가 완화됨.

(iii)10-4Hz  10-2Hz (사각파) : 수명과 주파수의 관계가 직선적 대응을 하며, 시간의존형의 파괴임. > 1 로 되면서 노치강화가 나타남.

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ii) 응력다축성, 평균응력의 영향

ASME :

고온구조 설계기준으로 전단변형률 에너지 파손설에 의해 상당 전변형률 범위 t를 채용하였다. 다축응력의 고온저사이클 피로수명은 부하중에 주변형률의 방향이 변동하지 않을 때 t 를 채용하면 단축응력하의 경우와 일치한다.

동크리프와 그파단(dynamic creep and rupture) :

재료에 반복응력과 평균응력이 동시에 작용하는 경우의 강도성질로, 지정된 반복수에 대한 고온피로강도는 평균응력의 부하에 의하여 일반적으로 감소.

iii) 균열의 발생과 진전

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c. 열피로와 열라체팅 (Thermal ratcheting)의 특징

  • i) 열피로 :
  • 고온기기에서의 부하의 변동과 가동·정지에 따른 온도 변동의 반복에 기인하여 발생하는 열응력이 반복되는 경우 발생되는 부재나 구조물의 피로를 말함.파괴까지의 반복수가 비교적 적은 경우 고온저사이클과 유사한 기구로 고온저사이클피로를 이용한 열피로 추정이 가능하다.

- 일정온도하에서 열피로수명이 저사이클피로보다 수명이 짧게 나타남.(●와 X 비교)- 역위상열피로(○)와 저사이클피로는 하한온도에서 입내파괴, - 동위상열피로(●)는 저사이클피로보다 현저한 입계파괴를 보임. (-> 크리프 관여)

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ii) 열라체팅 (Thermal ratcheting) :

래칫(ratchet) : 한쪽 방향으로만 회전하고, 반대방향으로는 운동을 전하지 못하는 톱니 또는 바퀴

라체팅(ratcheting) : 기어의 제어장치가 벗겨져서 회전을 시작하는것과 유사한 거동형태(그림 5.24, 반복부분의 하부 실선 참조)

열라체팅(thermal ratcheting) : 반복수에 따르는 진행성의 변형률

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5.4 크리프 •피로상호작용, 분위기 효과

a. 크리프 •피로상호작용고온에서 저 또는 중주파수의 반복 부하를 받는 구조 요소는 하중의 반복에 의한 피로 손상과 하중의 유지에 의해서 생기는 크리프 손상을 동시에 받아 그 파괴 수명은 이들 두 종류의 손상의 조합에 의해서 정해지는 현상.

i) 변동응력하의 크리프파괴(견해. 1) 일정응력(m)에 변동응력성분(응력진폭 a )이 중첩되어 일정응력하의 크리프 파단강도 또는 파단시간에 어떠한 변호를 가져오는 피로작용

전손상 : ψ = ψc+ ψp

선형누적손상법칙 :

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ii) 크리프역에서의 고온 저사이클 피로(견해. 2) 반복응력중에 일정응력이 삽입되든지, 피로주파수가 작고, 준정적 응력이 부하되어 피로파괴에 영향을 주는 크리프작용.

[ 변형률 범위분할법]

- 비교적 높은 주파수의 경우 시간에 의존하지 않는소성변형률범위 pp에 의해 파괴반복수Npp결정.

ppNpp = Cpp ------ (식 5.15 a)

- 저주파수의 경우 시간의존성 파괴수명이 현저히 저하함.

ccNcc = Ccc ------ (식 5.15 b)

- 압축측 변형률 유지의 경우

pcNpc = Cpc ------ (식 5.15 c)

- 인장측 변형률 유지의 경우

cpNcp = Ccp ------ (식 5.15 d)

변형률 범위분할법은 고온 저사이클 피로의 균열진전에 관한 J적분평가에 사용하면, 식5.15a 와 식5.15c 에 대응하여 반복수 의존형 피로균열진전의 파괴역학적 법칙이 얻어지며, 식5.15b와 식5.15d에 대응해서 시간의존형의 법칙이 얻어진다.

반복수의존형의 경우 입내균열진전, 시간의존형의 경우 입계분열이 지배적임.

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b. 크리프·피로·분위기 상호작용피로거동에 시간의존성이 존재하면서 피로강도가 저하하거나, 변동응력 크리프에 반복수 의존성이 나타나고 크리프강도가 저하하는 현상은 크리프·피로상호작용에 의한 것과 부하중의 금속학적 조직변화(탄화물등 석출물의 형상, 분포, 종류의 변화)와 대기중의 고온산화, 가스중의 침탄, 탈탄, 질화, 고온부식등의 시간 변화를 동반하는 인자들 때문에 나타나는 현상이다.

고온산화의 영향

진공중에서는 순 반복수 의존성을 나타내는 것이 대기중에서 시간의존성이 나타고, 부분적으로 입계파괴가 생기는 것 같이 되는 것은 크리프에 의한 것이 아닌 산화에 의한 영향이다. (그림의 F+E 영역 참고)