International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.8
no.4
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pp.254-263
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2015
The failure of hydraulic turbine runners is a rare event. So in order to assess the reliability of these components one cannot rely solely on the number of observed failures in a given population. However, as there is a limited number of degradation mechanisms involved, it is possible to use physically-based reliability models. Such models are often more complicated but are able to account for physical parameters in the degradation process. They can therefore help provide solutions to improve reliability. With such models, the effect of materials properties on runner reliability can be highlighted. This paper presents a brief review of the Kitagawa-Takahashi diagram which links the damage tolerance approach, based on fracture mechanics, to the stress or strain-life approaches. Using simplified response spectra based on runner stress measurements, we will show how fatigue reliability is sensitive to materials fatigue properties, namely fatigue crack propagation behaviour and fatigue limit obtained on S-N curves. Furthermore, we will review the influence of the main microstructural features observed in 13%Cr-4%Ni stainless steels commonly used for runner manufacturing. The goal is ultimately to identify the most influential microstructural features and to quantify their effect on fatigue reliability of runners.
The direct brazing technology which could be used for the simplification of brazing process and the improvement of brazed joint quality was studied with $Al_2O_3$ and stainless steels. The brazing of $Al_2O_3$ to STS304 or STS430 was performed under different brazing conditions such as brazing filler metal, temperature, heating rate and brazing time. Microstructural observation and chemical analysis be SEM/EPAM were carried out to verify the quality of brazed joints. 4-point bending strength of brazed joints was also measured to find the optimal brazing conditions. The results showed that, in brazing of $Al_2O_3$, the mixed oxide layer resulted from the reaction between Ti in filler metal and oxide layer on the material surface to be brazed was found to be bery important for the joint quality. The width of oxide layer varied with the brazing conditions such as brazing time, heating rate and chemical composition of filler metals. The strength of brazed joints was more affected by the type of materials and their thermal properties than by brazing heat cycle.
The change of microstructure in the bonded interlayer and mechanical properties of the joints were investigated during Transient Liquid Phase Diffusion Bonding(TLP bonding) of STS304/SM17C and STS304/SM45C couples using Ni base amorphous alloys added boron and prepared alloy as insert metal. Main experimental results obtained in this study are as follows: 1) Isothermal solidification process was completed much faster than theoretically expected time, 14ks at 1473K temperature. Its completion times were 3.6ks at 1423K, 2.5ks at 1473K and 1.6ks at 1523K respectively. 2) As the concentration of boron in the insert metal increased, the more borides were precipitated near bonded interlayer and grain boundary of STS304 side during isothermal solidification process, its products were $M_{23}P(C,B)_6}_3)$ The formation of grain boundary during isothermal solidification process was completed at structural carbon steel after starting the solidfication at STS304 stainless steel. 4) The highest value of hardness was obtained at bonded interface of STS304 side. The desirable tensile properties were obtained from STS304/SM17C, STS304/SM45C using MBF50 and experimentally prepared insert metal with low boron concentration.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.28
no.2
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pp.165-173
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2004
Laser beam welding is increasingly being used in welding of structural steels. The laser welding process is one of the most advanced manufacturing technologies owing to its high speed and deep penetration. The thermal cycles associated with laser welding are generally much faster than those involved in conventional arc welding processes, leading to a rather small weld zone. Experiments are performed for 304 stainless steel plates changing several process parameters such as laser power, welding speed, shielding gas flow rate, presence of surface pollution, with fixed or variable gap and misalignment between the similar and dissimilar plates, etc. The following conclusions can be drawn that laser power and welding speed have a pronounced effect on size and shape of the fusion zone. Increase in welding speed resulted in an increase in weld depth/ aspect ratio and hence a decrease in the fusion zone size. The penetration depth increased with the increase in laser power.
A new approach of producing martensitic structure for guide-roll materials was developed using centrifugal casting instead of classic overlay welding process. Centrifugal casting offered a simpler process, fewer defects and even microstructures. Especially in terms of thermal fatigue cracking which usually occurs in the HAZ of welding beads of used continuous caster guide roll materials made by overlay welding process. A typical tensile strength of 1,600 MPa was obtained by this process and was higher than typical tensile strength($800{\sim}1,200\;MPa$) with overlay welding technique. Tempering at $400{\sim}550^{\circ}C$ for 2 hrs was observed to have significant precipitate hardening effect which increases strength and elongation. Nitrogen content from the Cr-N input in the casting process was found to have positive contribution to decrease the volume fraction of ${\delta}$-ferrite which directly corresponds to increasing strength of the roll materials.
Austenitic stainless steels (ASSs) are widely used for nuclear pipes as they exhibit a good combination of mechanical properties and corrosion resistance. However, high tensile residual stresses may occur in ASS welds because postweld heat treatment is not generally conducted in order to avoid sensitization, which causes a stress corrosion crack. In this study, round robin analyses on stress intensity factors (SIFs) were carried out to examine the appropriateness of structural integrity assessment methods for ASS pipe welds with two types of circumferential cracks. Typical stress profiles were generated from finite element analyses by considering residual stresses and normal operating conditions. Then, SIFs of cracked ASS pipes were determined by analytical equations represented in fitness-for-service assessment codes as well as reference finite element analyses. The discrepancies of estimated SIFs among round robin participants were confirmed due to different assessment procedures and relevant considerations, as well as the mistakes of participants. The effects of uncertainty factors on SIFs were deducted from sensitivity analyses and, based on the similarity and conservatism compared with detailed finite element analysis results, the R6 code, taking into account the applied internal pressure and combination of stress components, was recommended as the optimum procedure for SIF estimation.
15Cr-5Ni 석출강화 스테인리스강 3종류의 피로균열 발생과 성장 특성 및 파괴인성에 대하여 노치함수로서 연구하였다. 3종류강의 열처리 조건은 $482\;^{\circ}C,\;579\;^{\circ}C$ 및 $621\;^{\circ}C$이다. $621\;^{\circ}C$에서 4시간동안 열처리한 시험편 C는 약 $280\;MPa\;\sqrt{m}$의 가장 높은 파괴인성을 보였으며, 3종류에서 피로균열 성장이 가장 늦었다. $482\;^{\circ}C$에서 1시간 열처리한 시험편 A에서, 피로균열발생한계, ${\Delta}k{\rho}$, 는 노치반경0.3 mm에서 약 $280\;MPa\;\sqrt{m}$의 가장 높은 값을 보였다. 시험편 A는 시험편 B와 C보다 피로균열 성장이 빨랐지만, 피로균열 발생이 늦었다. 예 하중에 의한 노치선단의 압축잔류응력은 노치 시험편의 피로강도 향상에 유용한 방법이었다.
This study investigates the effects of corrosion resistance characteristics of opponent materials in relative motion on the sliding wear behavior of mild carbon steel. Pin specimens made of mild carbon steel are tested at several sliding speeds against mating discs made of two types of alloyed steels, such as type D2 tool steel (STD11) and type 420 stainless steel (STS420J2), with different corrosion resistance characteristics in a pin-on-disc type sliding wear test machine. The results clearly show that the sliding wear behavior of mild carbon steel is influenced by the corrosion resistance characteristics of the mating disc materials at low sliding speeds. However, the sliding wear behavior at high sliding speeds is irrelevant to the characteristics because of the rising temperature. During the steady state wear period, the sliding wear rate of mild carbon steel against the type 420 stainless steel at a sliding speed of 0.5 m/s increases considerably unlike against the type D2 tool steel. This may be because the better corrosion resistance characteristics achieve a worse tribochemical reactivity. However, during the running-in wear period at low sliding speeds, the wear behavior of mild carbon steel is influenced by the microstructure after heat treatment of the mating disc materials rather than by their corrosion resistance characteristics.
Removing radioactive contaminated metal materials is a vital task during the decommissioning of nuclear power plants to reduce the cost of the post-dismantling process. The laser decontamination technique has been recognized as a key tool for a successful dismantling process as it enables a remote operation in radioactive facilities. It also minimizes exposure of workers to hazardous materials and reduces secondary waste, increasing the environmental friendless of the post-dismantling processing. In this work, we present a thorough and efficient laser decontamination approach using a single-mode continuous-wave (CW) laser. We subjected stainless steels to a surface-removal process that repetitively exposes the laser to a confined region of ~75 ㎛ at a high scanning rate of 10 m/s. We evaluate the decontamination performance by measuring the removal depth with a 3D scanning microscope and further investigate optimal removal conditions given practical parameters such as the laser power and scan properties. We successfully removed the metal surface to a depth of more than 40 ㎛ with laser power of 300 W and ten scans, showing the potential to achieve an extremely high DF more than 1000 by simply increasing the number of scans and the laser power for the decontamination of primary circuits.
Vladimir L. Yakushin;Boris A. Kalin;Serguei S. Tserevitionov
Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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2000.05a
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pp.1-1
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2000
The results of the modification of metal materials treated by high temperature pulst:d plasma fluxes (HTlPPF) with a specific power of incident flux changing in the $(3...100)10^5{]\;}W/cm^2$ range and a pulse duration lying from 15 to $50{\;}\mu\textrm{s}$ have been presented. The results of HTPPF action were studied on the stainless steels of 18Cr-l0Ni, 16Cr- 15Ni, 13Cr-2Mo types; on the structural carbon steels of (13...35)Cr, St. 3, St. 20, St. 45 types; on the tool steels of U8, 65G, ShHI5 types, and others; on nickel and high nickel alloy of 20Cr-45Ni type; on zirconium- and vanadium-base alloys and other materials. The microstructure and properties (mechanical, tribological, erosion, and other properties) of modified materials and surface alloying of metals exposed to HTPPF action have been investigated. It was found that the modification of materials by HTPPF resulted in a simultaneous increase of several properties of the treated articles: microhardness of the surface and layers of 40...60 $\mu\textrm{m}$ in depth, tribological characteristics (friction coefficient, wear resistance), mechanical properties ({\sigma_y}, {\;}{\sigma_{0.2}}.{\;}{\sigma_r}) on retention of the initial plasticity ($\delta$), corrosion resistance, radistanation erosion under ion irradiation, and others. The determining factor of the changes observed is the structural-phase modification of the near-surface layers, in particular, the formation of the fine cellular structure in the near-surface layers at a depth of $20{\;}{\mu\textrm{m}}$ with dimension of cells changing in the range from 0.1 to $1., 5{\;}\mu\textrm{m}$, depending on the kind of material, its preliminary treatment, and the parameters of plasma fluxes. The remits obtained have shown the possibility of purposeful surface alloying of metals exposed to HTPPF action over a depth up to 20...45 $\mu\textrm{m}$ and the concentration of alloying element (Ni, Cr, V) up to 20 wt.%. Possible industrial brunches for using the treatment have been also considered, as well as some results on modifying the serial industrial articles by HTPPF.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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