Development of a New LCF Life Prediction Model of 316L Stainless Steel at Elevated Temperature

In this paper, tensile behavior and low cycle fatigue behavior of 316L stainless steel which is currently favored structural material for several high temperature components such as the liquid metal cooled fast breeder reactor (LMFBR) were investigated. Research was performed at 550℃, 600℃ and 650℃ since working temperature of 316L stainless steel in a real field is from 400℃ to 650℃. From tensile tests performed by strain controls with $1{\times}10^{-3}/s,\; l{\times}10^{ -4}/s \;and\; 1{\times}10/^{ -5}/ s$ strain rates at each temperature, negative strain rate response (that is, strain hardening decreases as strain rate increases) and negative temperature response were observed. Strain rate effect was relatively small compared with temperature effect. LCF tests with a constant total strain amplitude were performed by strain control with a high temperature extensometer at R.T, 550℃, 600℃, 650℃ and total strain amplitudes of 0.3%~0.8% were used and test strain rates were $1{times}10^{-2} /s,\; 1{times}10^{-3} /s\; and\; 1{times}10^{-4} /s$. A new energy based LCF life prediction model which can explain the effects of temperature, strain amplitude and strain rate on fatigue life was proposed and its excellency was verified by comparing with currently used models

Effect of Dynamic Strain Aging on the High-Temperature Low-Cycle Fatigue Resistance of Type 316L Stainless Steel

Mechanism of dynamic strain aging (DSA) and its effect on the low-cycle fatigue (LCF) behavior in type 316L stainless steel were investigated by performing LCF tests in air in a wide temperature range from 20 to 650℃ with strain rates of 3.2x10^(-5)-1x10^(-2)/s. The regime of DSA was evaluated using the anomalies associated with DSA and was in the temperature range of 250-550℃ at a strain rate of 1x10/s, in 250-600℃ at 1x10^(-4)/s, and in 250-650℃ at 1x10^(-2)/s. The activation energies for each type of serration were about 0.57-0.74 times those for lattice diffusion indicating that a mechanism other than lattice diffusion is involved. It seems to be reasonable to infer that DSA is caused by the pipe diffusion of solute atoms through the dislocation core. Dynamic strain aging reduced the crack initiation and propagation life by way of multiple crack initiation, which comes from the DSA-induced inhomogeneity of deformation, and rapid crack propagation due to the DSA-induced hardening, respectively. (Received October 29, 2004

The Influence of Dynamic Strain Aging on Tensile and LCF Properties of Prior Cold Worked 316L Stainless Steel

Tensile and LCF(low cycle fatigue) tests were carried out in air at wide temperature range 20°C-750°C and strain rates of 1x10-4//s-1x10-2/ to ascertain the influence of strain rate on tensile and LCF properties of prior cold worked 316L stainless steel, especially focused on the DSA(dynamic strain aging) regime. Dynamic strain aging induced the change of tensile properties such as strength and ductility in the temperature region 250°C-600°C and this temperature region well coincided with the negative strain rate sensitivity regime. Cyclic stress response at all test conditions was characterized by the initial hardening during a few cycles, followed by gradual softening until final failure. Temperature and strain rate dependence on cyclic softening behavior appears to result from the change of the cyclic plastic deformation mechanism and DSA effect. The DSA regimes between tensile and LCF loading conditions in terms of the negative strain rate sensitivity were well consistent with each other. The drastic reduction in fatigue resistance at elevated temperature was observed, and it was attributed to the effects of oxidation, creep and dynamic strain aging or interactions among them. Especially, in the DSA regime, dynamic strain aging accelerated the reduction of fatigue resistance by enhancing crack initiation and propagation

Temperature Effect on the Cyclical Non-Stabilization of Type 316L Stainless Steel during Low-Cycle Fatigue Deformation: Cyclic Stress Response and a Suitable Fatigue Parameter

In this study, cold worked (CW) 316L austenitic stainless steel was investigated by performing low-cycle fatigue test with varying temperature, strain amplitude, and strain rate. CW 316L stainless steel underwent additional hardening at room temperature and in the temperature range of 250-600℃: The hardening at room temperature came from plasticity-induced martensite transformation, and the hardening over 250-600℃ was attributed to dynamic strain aging. These hardening mechanisms competed with the softening mechanism which was induced by dynamic recovery, generally observed in cold worked materials, resulting in the cyclical non-stabilization of the material. Three fatigue parameters, such as stress amplitude, plastic strain amplitude, and plastic strain energy density, were evaluated. The results revealed that plastic strain energy density was nearly invariant through a whole life and, thus, recommended as a suitable fatigue parameter. (Received September 3, 2004

{10-12} 쌍정 특성이 AZ31 마그네슘 합금 압연재의 변형거동에 미치는 영향

22kc

Deformation Anisotropy and Associated Mechanisms in Rolling Textured Pure Titanium

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Description of Hysteresis Loops using Modified Overlay Model

Overlay model had several advantages to describe hysteretic behavior of material and showed good capability for many engineering materials. However, this model is only applicable to material obeying Masing postulate. Some materials such as 316L stainless steel do not follow Masing postulate and show cyclic hardening(or softening) and strain range dependence. Low cycle fatigue tests of 316L stainless steel at 600°C were performed to investigate the characteristics of cyclic behavior of non-Masing material. From all tests cyclic softening was observed. There were differences in elastic limit of hysteresis loop according to applied strain range. To consider these features, modified overlay model was developed. Yield stresses of subelements were divided into isotropic and anisotropic part to describe the non-Masing behavior. The plastic strain range memorization was introduced to consider the strain range dependence. The prediction using modified overlay model showed a good accordance to actual hysteresis loops

A study on the short term creep behavior of 316L stainless steels under varying temperature

학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 기계공학과, 1999.2, [ vi, 60 p. ]그 동안 많은 연구자들에 의해서 고온 크립 변형 거동 및 기구에 관한 연구가 진행되어 왔으나 대부분은 일정 하중(혹은 일정 응력) 하에서의 등온 크립 실험에 초점을 맞추어 왔다. 그러나 실제 고온 구조물에 사용되고 있는 재료들은 가동의 시작, 가동 중, 가동 중단을 한 주기로 하여 복잡한 온도 및 하중 변화를 받고있으므로 이 경우에 등온 크립 실험 결과를 직접적으로 이용하기는 어려우며 온도와 하중의 변화를 고려한 평가 방법이 요구된다. 등온 크립의 결과를 온도와 하중이 변화하는 크립 상황에 이용하는 방법으로 상태방정식 기법이 사용되고 있다. 이것은 재료의 거동이 현재의 상태에 의해 뚜렷하게 규명되어질 수 있다는 가정하에 출발한다. 그러나 상태방정식 기법이 실제 상황과 잘 부합되는지에 대한 실험은 거의 수행되어 있지 않은 실정이다. 따라서 본 연구에서는 일정 하중 하에서 온도 변화를 고려한 변온 크립 실험을 수행하여 고온 구조물 설계에 사용되고 있는 상태방정식 기법들이 실제 재료의 변형 거동을 잘 나타낼 수 있는 지, 온도 조건에 있어 변수로 작용될 수 있는 일정 온도 유지 시간(holding time)과 온도 변화의 방향 등이 재료의 변온 크립 거동에 어떠한 영향을 미치는 지에 대해 알아보았다. 실험에 사용된 재료는 316L 스테인레스 강이며, 실험기는 온도와 하중의 동시 제어가 가능한 Gleeble 1500 시스템을 이용하였다. 실험 결과, 일정 하중하에서 동일한 온도 변화를 겪더라도 온도 변화의 이력이 다르면 최종 단계에서 누적된 크립 변형률은 서로 다른 값을 가졌으며, 온도가 감소하는 경우는 time hardening rule이 온도가 증가하는 경우는 strain hardening rule과 life fraction rule이 재료의 거동을 비교적 잘 예측하였다. 또한, $600^\circ C$와 $625^\circ C$에서의 등온 크립 변형중에 일정 유지 시간 동안 변온 크립이 발생할 경우 strain hardening rule을 적용하여 재료의 변형 거동을 비교적 잘 예측할 수 있었다.한국과학기술원 : 기계공학과

Mechanism of dynamic strain aging and characterization of its effect on the tensile and low-cycle fatigue behavior in type 316L stainless steel

학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공, 2005.2, [ viii, 122 p. ]액체금속로와 같은 고온 구조물에서 선호되고 있는 316L 스테인리스강의 기계적 신뢰성 확보를 위해 물성 실험을 수행하였다. 316L 스테인리스강의 경우 액체금속로의 작동온도인 $300~600^\circ C$ 온도 영역에서 동적변형시효에 의해 인장 및 피로 특성이 변화하므로 이에 초점을 맞추어 연구를 수행하였다. 동적변형시효에 의한 재료 강도의 증가 및 연성의 감소가 $250~600^\circ C$ 온도 영역에서 관찰되었으며, 이러한 온도영역은 변형률속도민감도 및 dynamic strain hardening stress 개념을 이용해 결정되는 동적변형시효 영역과 일치하였다. 그러나 serration 발생 온도구간과는 다소 차이가 존재하였다. 1 \tiems 10^{-3}-1 \tiems 10^{-2}/s 의 빠른 변형률 속도의 경우 250~400oC의 온도영역에서 serrated yielding이 발생하지 않음에도 불구하고 동적변형시효의 특징인 인장강도 증가, 최소 연신률 발생 및 음의 변형률속도민감도가 관찰되었다. 이러한 사실은 동적변형시효가 serrated yielding에 의해 확인되는 것보다 먼저 발생됨을 의미하였다. 인장 변형시 동적변형시효에 의한 연성의 감소는 파괴기구의 변화에 의한 것으로, 동적변형시효 영역에서는 다른 온도와 비교하여 섬유상 영역이 감소하였다. 이러한 섬유상 영역의 감소는 불균일 연신률의 감소와 관련되며, 결국 연성의 감소를 초래하였다. 저주기피로 변형시 동적변형시효의 발생은 다음의 특징들에 의해 확인될 수 있었다. 첫째, 온도에 따른 피크응력의 변화에서 관찰되는 고평부(plateau) 또는 최고점(peak) 발생. 둘째, 소성변형률진폭 및 softening ratio의 음의 온도의존성. 셋째, 음의 변형률속도민감도. 넷째, 소성변형률진폭 및 softening ratio의 음의 변형률속도의존성. 위의 사실들을 종합하여 저주기피로 변형시 동적변형시효가 발생하는 온도 및 변형률 속도 조건을 구해보면, $1 \times 10^{-4} -1 \times 10^{-2}/s$ 의 변형률 속도에서는 $250~550^\circ C$ 에서, $600^\circ C$ 에서는 1 \tiems 10^{-3} -1 \tiems 10^{-2}/s 에서, $650^\circ C$ 에서는 $10^{-2}/s$ 에서 발생하였다. 이러한 동적변형시효 발생 조건은 인장시험 결과와 일치하였다. 동적변형시효에 대한 활성화 에너지를 계산함으로써 동적변형시효 발생기구를 규명하였다. Type D serration이 발생하는 저온의 경우 침입형 원소인 탄소나 질소의 전위 핵을 통한 pipe diffusion에 의해, type A+B+E 또는 type A+B+C+E serrations이 발생하는 고온의 경우 치환형 원소인 크롬의 전위 핵을 통한 pipe diffusion에 의해 동적변형시효가 발생하였다. 동적변형시효에 의해 재료의 균열 발생 및 진전 수명이 감소하였다. 동적변형시효가 발생하게 되면 소성변형 기구가 planar slip로 변하여 변형이 불균일하게 되었고, 이렇게 국부화된 변형은 균열발생 장소로 작용하였다. 이로 인해 다수의 장소에서 균열이 발생하여 균열발생 수명이 감소하였다. 균열진전 수명의 감소는 동적변형시효에 의해 유발되는 경화로 인해 균열선단에 큰 응력집중이 발생하게 되어 균열의 진전이 가속화 되었기 때문이었다.한국과학기술원 : 기계공학전공