In this study, we spray a Ni-Cr composite powder onto AISI 4340 steel using the high velocity oxygen fuel method. We subsequently subject the Ni-Cr coating (as-sprayed) to ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) process to improve the tribological performance. This study aims at increasing the wear resistance and durability of the Ni-Cr coating by altering the surface integrity and microstructure via the UNSM process. The UNSM process reduces the surface roughness of the as-sprayed coating by about 64%, which is explained by observing the elimination of high peaks and valleys and filling up micro-pores. Furthermore, a change in the microstructure of the coating due to continuous high-frequency strikes to the surface by a tip can lead to an increase in hardness from about 48 to 60 HRC. Furthermore, we investigate the characterization of the friction and wear behavior of Ni-Cr coating by a ball-on-disc tribometer in the dry conditions. We determine that after the UNSM process, there is a significant reduction in the friction coefficient of the as-sprayed coating from approximately 1.1 to 0.75. This is owing to the increased hardness and smoothed surface roughness. In addition, we investigate the surface morphology and wear track of the coatings before and after the UNSM process using a scanning electron microscope, energy dispersive spectrometer, and three-dimensional laser scanning microscope. We observe that the wear track of the Ni-Cr coating after the UNSM process is lower than that of the as-sprayed one. Thus, we confirm that the UNSM process has a significant influence on the improvement of the tribological performance of the Ni-Cr composite coating.
Fatigue damage of 2.2Ni-1Cr-0.5Mo steel used fir high strength pressure tubes and vessels was evaluated using uniaxial specimens subjected to strain-controlled fatigue loading. Based on the fatigue test results from different strain ratios of -2. -i 0, 0.5, 0.75, the fatigue damage of the steel was represented by using a cyclic strain energy density. Mean stress relaxation depended on the magnitude of the applied strain amplitude. The high pressure vessel steel exhibited the cyclic softening behavior. Total strain energy density consisting of the plastic strain energy density and the elastic tensile strain energy density described fairly well the fatigue life of the steel, taking the mean stress effects into account. Compared to other fatigue damage parameters, fatigue life prediction by the cyclic strain energy density showed a good correlation with the experimental fatigue lift within a factor of 3.
The effect of Cr addition to high Mn steel on flow-accelerated corrosion (FAC) behavior in a neutral aqueous environment was evaluated. For comparison, two types of conventional ferritic steels (API X70 steel and 9% Ni steel) were used. A range of experiments (electrochemical polarization and impedance tests, weight loss measurement, and metallographic observation of corrosion scale) were conducted. This study showed that high Mn steel with 3% Cr exhibited the highest resistance to FAC presumably due to the formation of a bi-layer scale structure composed of an inner Cr enriched Fe oxide and an outer Mn substituted partially with Fe oxide on the surface. Although the high Mn steels had the lowest corrosion resistance at the initial corrosion stage due to rapid dissolution kinetics of Mn elements on their surface, the kinetics of inner scale (i.e. Cr enriched Fe oxide) formation on Cr-bearing high Mn steel was faster in dynamic flowing condition compared to stagnant condition. On the other hand, the corrosion scales formed on API X70 and 9% Ni steels did not provide sufficient anti-corrosion function during the prolonged exposure to dynamic flowing conditions.
Higher strength and fracture toughness of reactor pressure vessel steels can be obtained by changing the material specification from that of Mn-Mo-Ni low alloy steel (SA508 Gr.3) to Ni-Mo-Cr low alloy steel (SA508 Gr.4N). However, the operation temperature of the reactor pressure vessel is more than $300^{\circ}C$ and the reactor operates for over 40 years. Therefore, we need to have phase stability in the high temperature range in order to apply the SA508 Gr.4N low alloy steel for a reactor pressure vessel. It is very important to evaluate the temper embrittlement phenomena of SA508 Gr.4N for an RPV application. In this study, we have performed a Charpy impact test and tensile test of SA508 Gr.4N low alloy steel with changing impurity element contents such as Mn and P. And also, the mechanical properties of these low alloy steels after longterm heat treatment ($450^{\circ}C$, 2000hr) are evaluated. Further, evaluation of the temper embrittlement by fracture analysis was carried out. Temper embrittlement occurs in KL4-Ref and KL4-P, which show a decrease of the elongation and a shifting of the transition curve toward high temperature. The reason for the temper embrittlement is the grain boundary segregation of the impurity element P and the alloying element Ni. However, KL4-Ref shows temper embrittlement phenomena despite the same contents of P and Ni compared with SC-KL4. This result may be caused by the Mn contents. In addition, the behavior of embrittlement is not largely affected by the formation of $M_3P$ phosphide or the coarsening of Cr carbides.
In this work, transient liquid phase (TLP) bonding of Ni-Cr heat resisted cast alloy (HP) was investigated. And also the behaviors of the solid particles distributed in the interlayer during TLP bonding were investigated. The MBF-60 and solid particles (Ni, Fe, and $Al_2O_3$ powders respectively) added MBF-60 which will be a liquid phase coexisting with solid particles at the bonding temperature were used as insert metal. The effective and sound bonding was possible by spark plasma sinter-bonding due to the differences of electric resistance between base metal and liquid insert layer which creates high temperature region. During the isothermal solidification, $Al_2O_3$ particles and solid particles of liquid phase sintered insert metal have shown no growth, while Ni and Fe particles grow rapidly. In this TLP bonding using the MBF-60 and distributed Fe, Ni particles as insert materials, the whole isothermal solidification process was dominated by the growth rate of the solid particles distributed in the interlayer.
There is a growing need to introduce advanced pressure vessel steels with higher strength and toughness for the optimizatiooCn of the design and construction of longer life and larger capacity nuclear power plants. SA508 Gr.4N Ni-Cr-Mo low alloy steels have superior strength and fracture toughness, compared to SA508 Gr.3 Mn-Mo-Ni low alloy steel. Therefore, the application of SA508 Gr.4N low alloy steel could be considered to satisfy the strength and toughness required in advanced nuclear power plants. The purpose of this study is to characterize the microstructure and mechanical properties of SA508 Gr.4N low alloy steels. 1 ton ingot of SA508 Gr.4N model alloy was fabricated by vacuum induction melting followed by forging, quenching, and tempering. The predominant microstructure of the SA508 Gr.4N model alloy is tempered martensite having small packet and fine Cr-rich carbides. The yield strength at room temperature was 540MPa, and it was decreased with an increase of test temperature while DSA phenomenon occurred at around $288^{\circ}C$. Overall transition property of SA508 Gr.4N model alloy was much better than SA508 Gr.3 low alloy steel. The index temperature, $T_{41J}$, of SA508 Gr.4N model alloy was $-132^{\circ}C$ in Charpy impact tests, and reference nil-ductility transition temperature, $RT_{NDT}$ of $-105^{\circ}C$ was obtained from drop weight tests. From the fracture toughness tests performed in accordance with the ASTM standard E1921 Master curve method, the reference temperature, $T_0$ was $-147^{\circ}C$, which was improved more than $60^{\circ}C$ compared to SA508 Gr.3 low alloy steels.
Quasi-nano-hardness and corrosion behaviors of neutron-irradiated reactor pressure vessel (RPV) steels such as 15Ch2MFA (Ni<0.4, 2.520 n/㎠ (En>1.0 MeV) for 32 days. Quasi-nano-hardnesses of the 15Ch2MFA and 15Cr2NHFA steels were 183.8 and 179.8 Hv, respectively. Their corrosion rates and corrosion potentials were 2.4×10-4Acm-2, -515.9 mVSHE and 6.8×10-4 Acm-2, -523.6 mVSHE in NACE standard TM0284-96 solution at room temperature, respectively. 15Ch2MFA steel showed better quasi-nano-hardness and corrosion resistance than 15Cr2NHFA steel in this test condition.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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