A Study on the Effects of Strain Rate and Temperature on Serrated Yielding Behavior in Alloy 617

Abstract

초고온 가스로 (very high temperature rector)는 전기와 수소를 가장 경제적으로 생산할 수 있는 제 4세대 원자로중의 하나이다. 초고온가스로 시스템은 압력용기 (reactor pressure vessel), 파이프 (pipe), 고온가스덕트 (hot gas duct) 그리고 중간 열교환기 (intermediate heat exchanger)와 같은 주요 부품으로 구성되어 있다. 이들 부품 중에서 중간 열교환기는 가장 중요한 부품으로서 950도의 고온에서 약 60년의 수명 동안 사용되도록 설계되고 있으므로, 가혹한 고온조건에서 장시간 동안 가동하기 위해 우수한 기계적 특성을 지닌 재료가 필요하다. 중간 열교환기 재료로는 니켈기 초내열 합금이 고려되고 있으며, 이중에서 Alloy 617의 고온 기계적 특성이 다른 소재에 비하여 우수하므로 가장 유력한 후보 재료로 고려되고 있다. 그러나 Alloy 617은 고온 환경 조건에서 톱니모양 항복 현상 때문에 기계적 특성의 현저한 저하가 발생하므로 설계 및 안정성 고려를 위하여 톱니모양 항복거동에 대한 폭넓은 연구가 필요하다. 본 연구에서는 Alloy 617의 동적변형시효 (dynamic strain aging)에 의한 톱니 모양 항복 현상에 대하여 포괄적으로 조사하였다. 이를 위해 상온에서 950 oC까지 온도범위에서 변형률 속도를 10-3 s-1, 10-4 s-1, 10-5 s-1 변화시키면서 일련의 인장시험으로부터 고온인장 시험 데이터를 얻었다. 인장시험 후 진응력-진변형률 곡선을 Hollomon, Ludwik, Swift, Ludwigson 그리고 Voce 의 관계식을 적용하여 묘사하고자 하였으며 동적변형시효 영역을 정의하고자 하였다. 시험 결과 인장 응력-변형률 곡선은 Ludwigson 관계식이 다른 관계식에 비하여 가장 우수하였으며, 저온 (24-200 oC), 중온 (200-700 oC), 고온 (700-950 oC)의 3개의 온도구간으로 나눌 수 있음을 확인하였다. Ludwigson 관계식에 의한 동적변형시효 영역은 중온 구간에서 안정적인 모습을 보이는 것으로 나타났다. 동적변형시효 영역은 항복강도, 극한강도, 변형률 그래프에서도 잘 설명이 되었다. 반면에 동적변형시효 현상 발생온도에는 낮은 응력에서 가공경화율이 급격히 감소하며, 이후 높은 응력에서는 완만한 감소가 발생하여 저온과 중온도 에서의 차이가 감소한다. Alloy 617강의 인장곡선으로부터 톱니 모양 항복거동은 D, A+B, C타입의 3가지 유형으로 분류되었다. D타입은 200 oC의 초기에 나타나며, A+B 타입은 300-500 oC에서 A+B 타입은 A와 B타입의 조합으로 A타입이 초기에 나타나고 높은 변형률 구간에서 B 타입이 나타났다. 그리고 C 타입은 600-700 oC 범위에서 나타났으며, 700 oC 이상에서는 톱니모양 거동이 관찰되지 않았다. Alloy 617의 동적변형시효 메커니즘은 평균 활성화 에너지로부터 논의되었으며, 이것은 5가지 방법에 의해 얻어졌다. 활성화 에너지 값으로부터, Alloy 617강의 동적변형시효 메커니즘은 대부분 용질 원자의 격자와 파이프 확산으로 야기되었다. D 타입 톱니거동의 활성화 에너지는 77.8 kJ/mol, A+B 타입의 활성화 에너지는 95-165 kJ/mol, C 타입의 활성화 에너지는 258-278 kJ/mol로 나타났다. 한편, 인장강도와 변형률 속도는 700 oC 이상에서 슬립 선의 양과 관련이 있는 것을 밝혀졌으며, 고온에서 변형률 속도가 감소함에 따라 인장강도가 감소하는 것으로 나타났다. 이는 많은 슬립 선들이 700 oC 이상의 고온의 낮은 변형률 속도에서 발생하기 때문이었다. 길이방향 단면을 SEM으로 관찰한 결과 700 oC까지 주요 손상 메커니즘은 슬립에 의해 야기되었다. 반면에 700 oC 이상의 손상 메커니즘은 동적 재결정 때문에 전위 상승과 연화에 의한 크리프 메커니즘에 의해 제어되었다. SEM으로 관찰한 파면은 온도에 따라 차이를 보였지만 변형률 속도에 의한 차이는 없었던 것으로 관찰되었다. SEM 사진은 각각 저온에서는 취성 때문에 낮은 연성 파단면, 중온에서는 적절한 연성 파단면, 그리고 고온에서는 심한 연성 파단을 보였다.