열-기계적 피로하중을 받는 금속재료의 재료거동 및 산화손상을 고려한 수명예측

Abstract

온도와 기계적 하중의 변화가 반복적으로 함께 작용하는 열-기계적 피로하중은 재료에 피로, 크리프 또는 산화손상을 유발하여 파손을 가속화하는 경향이 있다. 따라서 이와 같은 하중 조건에서 작동하는 부품의 신뢰성을 확보하기 위해서는 보다 높은 정확도로 피로수명을 예측할 수 있는 모델이 필요하다. 한편 오스테나이트계 스테인리스강의 경우 고온환경에서 예민화 현상과 함께 산화손상이 발생하며 피로수명이 감소하는 경향을 보인다. 그러나 기존의 피로수명 예측 모델들은 열-기계적 피로하중 조건에서 응력과 온도 이력에 의한 손상을 함께 고려하기 어렵거나 또는 역학적 기반의 거동 즉, 피로 및 크리프 손상을 중심으로 피로수명을 예측함에 따라 산화손상의 영향이 적절히 반영될 수 없었다. 이에 따라 본 논문에서는 파괴역학 기반 피로수명 예측모델과 Neu-Sehitoglu 산화손상 모델을 결합하여 통합 열-기계적 피로수명 예측모델을 제시하였다. 피로수명 예측에 필요한 응력과 변형률을 구하기 위하여 Chaboche의 반복점소성 이론을 적용한 재료거동 모델을 이용하였으며, 예측모델을 상용 유한요소해석 프로그램 ABAQUS의 사용자 정의 서브루틴 UMAT으로 작성하였다. 그리고 다양한 온도조건에서 저주기 피로 및 열-기계적 피로실험을 수행하여 재료거동과 수명예측에 필요한 변수값들을 획득하였으며 이를 기반으로 온도와 상 조건 변화에 따른 산화손상을 분석할 수 있었다. 온도와 하중조건에 따른 산화물의 평균 두께와 산화에 의해 생성된 균열의 길이를 통해 산화손상을 분석하였으며 Neu-Sehitoglu의 산화손상 식으로 예측한 값과 비교하여 모델 사용의 적합성을 확인하였다. 한편 제안된 모델을 시편 형상의 해석에 적용하여 통합 열-기계적 피로수명 예측의 정확도를 확인하였다. 그리고 민감도 분석을 통해 Mar-M247 변수를 이용한 예측모델의 유효성을 확인하였으며, 동일한 방법론을 스테인리스강 316에 적용하여 통합 열-기계적 피로수명 예측모델의 정확도를 검증하였다. 결과적으로 이와 같은 모델을 통해 자동차 엔진, 운송차량의 내연기관, 가스터빈 등 오스테나이트계 스테인리스강이 적용된 부품의 피로수명을 보다 정확하게 예측할 수 있을 것으로 기대된다.