산화손상을 고려한 오스테나이트계 스테인리스강의 저주기 피로수명 연구

Abstract

오스테나이트계 스테인리스강은 다양한 산업분야의 핵심 소재로서 특히 고온 환경에서 널리 사용된다. 본 논문은 니오븀이 함유된 오스테나이트계 스테인리스강의 산화손상 기반 피로수명 연구와 관련하여 온도에 따른 저주기 피로시험을 수행한 후 미시조직 관찰을 통해 산화손상 특징을 분석하였다. 아울러 피로, 크리프 또는 피로-크리프 상호작용과 산화손상을 함께 고려하여, Riedel 모델 및 Neu-Sehitoglu 산화손상수명 모델에 기반한 저주기 피로수명 통합 모델을 제안하였다. 200~800°C 온도 및 0.4%와 0.5%의 변형률진폭 조건으로 저주기 피로시험을 수행하였고, 시험 결과와 해석값과의 비교를 통해 통합 모델의 타당성을 검증하였다. 결과적으로 평균 오차 범위 2.8%와 6.7%로 각각 산화물 두께 및 깊이를 예측했으며, 실험 조건 모두 측정 온도에서 ±2 factor 정확도로 저주기 피로수명이 예측되었다. 앞선 결과를 통해 오스테나이트계 스테인리스강의 고온 및 주기적인 환경에서 피로파손 중 60~75%를 차지하는 피로, 크리프 또는 피로-크리프 상호작용뿐만 아니라, 산화에 의한 손상을 반영하여 저주기 피로수명을 예측하였다.

Austenitic stainless steel is widely used in high-Temperature environments as the core material in various industrial applications. This work analyzes the characteristics of oxidation damage via microscopic observations after low-cycle fatigue testing based on the temperature in relation to the fatigue life, which is based on the oxidation damage of austenitic stainless steel containing niobium. In addition, a unified low-cycle fatigue life model based on the Riedel model coupled with the Neu Sehitoglu oxidation damage life model is proposed by considering the fatigue, creep, or fatigue creep interactions as well as oxidation damage. Low-cycle fatigue tests were conducted for temperatures of 200~800°C as well as 0.4% and 0.5% strain amplitude conditions, and the validity of the proposed model was confirmed by comparing the experimental results with the analytical values. Thus, oxide thickness and depth could be predicted with average errors of 2.8% and 6.7%, respectively, and low-cycle fatigue life could be predicted with a 2 factor of accuracy at the measured temperatures and strain amplitude conditions. From the results, low-cycle fatigue life could also be predicted for oxidation damage as well as fatigue, creep, or fatigue creep interactions, which account for 60~75% of the total fatigue failure of austenitic stainless steel at high temperatures and with periodic loading.