스테인리스 강재의 탄∙소성 거동 및 부식∙피로 균열전파 특성

Abstract

과도한 하중은 재료 변형 및 구조적 불안정성을 야기하며, 특히 반복 하중을 받고 있는 재료가 부식성 환경에 노출된 경우 시간이 지남에 따라 재료 물성이 저하되고 결과적으로 환경 파손이 발생하게 된다. 따라서 첫째, 외부 하중에 의한 정적 파손을 예방하기 위해서는 재료의 응력-변형률 특성을 파악하여야 하며, 둘째, 동적 및 부식환경에 따른 파손 방지를 위해서는 재료물성 열화가 고려된 피로 특성이 고려되어야 한다.

본 논문은 스테인리스 강재의 탄∙소성 거동 및 부식․피로 균열전파 특성에 관한 연구로서 첫째, 스테인리스 강재의 등방 및 이동경화 특성이 반영된 탄∙소성 해석모델 연구 둘째, 부식 영향이 고려된 피로균열전파 해석 모델 개발, 그리고 셋째, 하중이력 시험 결과와 탄∙소성 거동 해석결과 간의 비교/검증 및 부식․피로 균열전파 특성 고찰, 미시조직 분석 등으로 구분할 수 있다.

이와 관련하여 우선, 스테인리스 강재의 인장 시험 및 하중이력 시험을 통해 Chaboche 이론에 기반된 탄성, 등방 및 이동경화 변수를 획득하였으며, 이를 통해 탄․소성 해석모델인 ABAQUS UMAT code를 개발하였다. 최종적으로 시험 결과 값과 해석모델 산출 값과의 비교를 통해 해석모델의 정확도를 제고하였다.

부식∙피로 균열전파 거동연구에서는 부식 영향도를 정량적으로 평가하기 위하여 평균 부식률을 도입하였으며, 수정 Forman 균열전파모델을 적용하여 보다 정확도 높은 부식∙피로 균열전파 해석모델을 제시하였다. 하중 비, 주파수 및 환경 조건이 각기 다른 시험 조건에서 스테인리스 강재의 부식․피로 균열전파 시험을 실시하였으며, 제시한 균열전파 해석모델의 물리적 경향성을 고찰하였다. 뿐만 아니라 미시조직 분석을 통해 염기성 환경에서 부식 피트에 의한 균열전파 특성을 확인하였다.

본 연구를 통해 스테인리스 강재의 탄∙소성 거동 및 부식∙피로 균열전파 특성을 이론적, 실험적 및 해석적으로 고찰할 수 있었다. 탄∙소성 해석모델에 이동경화 이론을 적용함으로서 기존 연구보다 정확도 높은 소성변형을 해석할 수 있었으며, 부식 환경에서 피로하중에 의한 균열전파 해석 기법을 개발함으로서 구조재료로 사용될 수 있는 스테인리스 강재의 강건 및 수명설계 방안을 제시하였다.| An excessive external load leads to material deformation and structural unstability, and in particular, the material exposed to both repeated mechanical load and corrosive environment results in environmental failure due to degradation of material characteristics. Therefore, in order to prevent static failure, firstly, stress-strain characteristics of the material should be determined. And secondly, the corrosion․fatigue behavior with material degradation must be taken into account to prevent dynamic and corrosion environment failure. In this thesis, elasto∙plasticity behavior and corrosion∙fatigue crack propagation characteristics of stainless steel were considered. There are four major research presented in this thesis; 1. model analysis for elasto∙plasticity behavior based on isotropic and kinematic hardening characteristics, 2. development of corrosion∙fatigue crack propagation analysis model, 3. validation of elasto∙plasticity behavior analysis model by comparison with experiment and analysis results. 4. investigation of corrosion∙fatigue crack propagation tendency by means of microstructure analysis.

In this regard, first of all, mechanical properties of stainless steel related to the elasticity, isotropic and kinematic hardening based on Chaboche theory were obtained from tensile and hysteresis experiment. And then, ABAQUS UMAT code for elasto∙plasticity behavior analysis was developed. Finally, the accuracy of analysis model was enhanced by means of the comparison with stress-strain relations obtained from experimental and analytical works. In order to evaluate corrosion effectiveness quantitatively, the average corrosion rate was introduced for corrosion∙fatigue crack propagation behavior analysis. And in addition, modified Forman model was employed for a high accuracy corrosion∙fatigue crack propagation analysis. Corrosion∙fatigue crack propagation tests were conducted with various experimental conditions such as load ratio, loading frequency and environment condition. With comparing experimental and analytical works, the physical tendency of newly developed crack propagation analysis model was investigated. Furthermore, corrosion-pitting was determined as the major factor for crack propagation characteristics through microstructure analysis.

From the results, elasto∙plasticity behavior together with corrosion∙fatigue crack propagation characteristics of stainless steel were theoretically, experimentally and analytically studied. By employing the kinematic hardening rule for elasto∙plasticity analysis, the plastic deformation behavior was analyzed with a high accuracy. Finally, a strength and life design methodology for stainless steel can be introduced by using the newly developed corrosion∙fatigue crack propagation model under the corrosive environment.; An excessive external load leads to material deformation and structural unstability, and in particular, the material exposed to both repeated mechanical load and corrosive environment results in environmental failure due to degradation of material characteristics. Therefore, in order to prevent static failure, firstly, stress-strain characteristics of the material should be determined. And secondly, the corrosion․fatigue behavior with material degradation must be taken into account to prevent dynamic and corrosion environment failure. In this thesis, elasto∙plasticity behavior and corrosion∙fatigue crack propagation characteristics of stainless steel were considered. There are four major research presented in this thesis