본 연구에서는 에폭시 수지조합에 따른 탄소섬유강화 복합재 프리프레그 제작 및 극저온 인장시험을 통해 극저온에서 우수한 기계적 물성을 갖는 복합재 수지조합을 제시하였다. 환경챔버를 이용하여 상온으로부터 $-150^{\circ}C$ 까지 6회의 열-하중 사이클을 수행한 일방향 복합재 시편에 대하여 $-150^{\circ}C$에서 복합재의 인장강도와 강성을 측정하였다. 또한, $-150^{\circ}C$에서 복합재의 섬유수직방향 인장물성 및 면내 전단물성과 같은 모재 지배적인 물성 측정을 통해 수지조성변화가 섬유와 모재의 계면에 미치는 영향을 고찰하였다. 그 결과, bisphenol-A 형의 에폭시와 CTBN 고무 변성 형 필러를 비교적 다량으로 함유한 수지조성을 갖는 복합재 시편이 극저온에서 우수한 기계적 물성을 보임을 확인하였다.
The effect of C, Mn, and Al additions on the tensile and Charpy impact properties of austenitic high-manganese steels for cryogenic applications is investigated in terms of the deformation mechanism dependent on stacking fault energy and austenite stability. The addition of the alloying elements usually increases the stacking fault energy, which is calculated using a modified thermodynamic model. Although the yield strength of austenitic high-manganese steels is increased by the addition of the alloying elements, the tensile strength is significantly affected by the deformation mechanism associated with stacking fault energy because of grain size refinement caused by deformation twinning and mobile dislocations generated during deformation-induced martensite transformation. None of the austenitic high-manganese steels exhibit clear ductile-brittle transition behavior, but their absorbed energy gradually decreases with lowering test temperature, regardless of the alloying elements. However, the combined addition of Mn and Al to the austenitic high-manganese steels suppresses the decrease in absorbed energy with a decreasing temperature by enhancing austenite stability.
An apparatus was developed to repetitively apply a -196 $^{\circ}C$ thermal load to coupon-sized mechanical test specimens. Using this device, IM7/5250-4 (carbon / bismaleimide) cross-ply and quasi-isotropic laminates were submerged in liquid nitrogen (L$N_2$) 400 times. Ply-by-Ply micro-crack density, laminate modulus, and laminate strength were measured as a function of thermal cycles. Quasi-isotropic samples of IM7/977-3 (carbon / epoxy) composite were also manually cycled between liquid nitrogen and an oven set at 120 $^{\circ}C$ for 130 cycles to determine whether including elevated temperature in the thermal cycle significantly altered the degree or location of micro-cracking. In response to thermal cycling, both materials micro-cracked extensively in the surface plies followed by sparse cracking of the inner plies. The tensile modulus of the IM7/5250-4 specimens was unaffected by thermal cycling, but the tensile strength of two of the lay-ups decreased by as much as 8.5 %.
As the demand for natural gas that satisfies environmental regulations increases, the quantities of natural gas cargo that carrier can load is also increasing. Natural gas is transported in a liquefied state at -163 ℃ to increase loading efficiency. Among several LNG CCS types, MARK-III types are generally adopted in terms of loading efficiency. The secondary barrier adhesives of the MARK-III, nevertheless, is subjected to tensile stress due to thermal contraction and tension in the environment. In terms of these reasons, local analysis of the adhesive to evaluate the stress state must be carried out. According to previous studies, local analysis is unavailable since material properties for secondary barrier adhesives have not been reported. Thus, in this study, the cryogenic tensile test and coefficient of thermal expansion of epoxy and polyurethane (PU15, PU45), which are most widely used at cryogenic temperatures, were experimentally analyzed. At cryogenic temperature, the mechanical behavior of the polyurethane adhesive was better than epoxy of the adhesive. the joint of FSB and epoxy adhesive of the secondary barrier has the maximum coefficient of thermal expansion difference at 25 ℃ and minimum at -150 ℃, respectively.
The effects of immersion time in the liquid nitrogen and deformation-induced martensitic transformation on the behavior of austenite stainless steels used for the hydrogen storage tank of auto-mobile at cryogenic temperature were investigated. With increasing of immersion time in the liquid nitrogen, the tensile strength of all austenite stainless steels at cryogenic temperature was increased because the martensite transformation of unstable austenite. The restraint of crack generation ana transmission also increased the tensile strength by the active ${\alpha}'$ transformation. The elongation decreasing of 321 steel is not the mechanical deformation of austenite phase but the stress induced martensite phase during the tensile test.
This present study deals with the hydrogen embrittlement properties of austenitic Fe-30Mn-0.2C(-1.5Al) high-manganese steels for cryogenic applications. They were electrochemically charged with hydrogen and then subjected to tensile tests for evaluating hydrogen embrittlement behavior. Tensile test results showed that after hydrogen charging the tensile strength and elongation of the Al-free steel were more remarkably decreased with increasing current density when compared to the Al-added steel. After hydrogen charging of the Al-added steel, it was found that the measured hydrogen content was small and silver particles were relatively less decorated. Therefore, the Al-added steel has a superior hydrogen embrittlement resistance to the Al-free steel because the addition of Al suppresses the injection of hydrogen during electrochemical hydrogen charging.
An apparatus was developed to repetitively apply a $-196^{\circ}C$ thermal load to coupon-sized mechanical test specimens. Using this device, IM7/5250-4 (carbon / bismaleimide) cross-ply and quasi-isotropic laminates were submerged in liquid nitrogen ($LN_2$) 400 times. Ply-by-ply micro-crack density, laminate modulus, and laminate strength were measured as a function of thermal cycles. Quasi-isotropic samples of IM7/977-3 (carbon / epoxy) composite were also manually cycled between liquid nitrogen and an oven set at $120^{\circ}C$ for 130 cycles to determine whether including elevated temperature in the thermal cycle significantly altered the degree or location of micro-cracking. In response to thermal cycling, both materials micro-cracked extensively in the surface plies fellowed by sparse cracking of the inner plies. The tensile modulus of the IM7/5250-4 specimens was unaffected by thermal cycling, but the tensile strength of two of the lay-ups decreased by as much as 8.5%.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제5권4호
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pp.580-597
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2013
Three materials SUS304, 9% Ni steel and Al 5083-O alloy, which are considered possible candidate for International Maritime Organization (IMO) type B Cargo Containment System, were studied. Monotonic tensile, fatigue, fatigue crack growth rate and Crack Tip Opening Displacement tests were carried out at room, intermediate low ($-100^{\circ}C$) and cryogenic ($-163^{\circ}C$) temperatures. The initial yield and tensile strengths of all materials tended to increase with decreasing temperature, whereas the change in elastic modulus was not as remarkable. The largest and smallest improvement ratio of the initial yield strengths due to a temperature reduction were observed in the SUS304 and Al 5083-O alloy, respectively. The fatigue strengths of the three materials increased with decreasing temperature. The largest increase in fatigue strength was observed in the Al 5083-O alloy, whereas the 9% Ni steel sample showed the smallest increase. In the fatigue crack growth rate test, SUS304 and Al 5083-O alloy showed a decrease in the crack propagation rate, due to decrease in temperature, but no visible improvement in da/dN was observed in the case of 9% Ni steel. In the Crack Tip Opening Displacement (CTOD) test, CTOD values were converted to critical crack length for the comparison with different thickness specimens. The critical crack length tended to decrease in the case of SUS304 and increase for the Al 5083-O alloy with decreasing temperature. In case of 9% Ni steel, change of critical crack length was not observed due to temperature decrease. In addition, the changing material properties according to the temperature of the LNG tank were analyzed according to the international code for the construction and equipment of ships carrying liquefied gases in bulk (IGC code) and the rules of classifications.
Austenitic stainless steels(SUS 304, SUS 316), which are used for safety control valve of LNG carrier, are occasionally exposed in the cryogenic environment. In this regards, it is required to evaluate the mechanical characteristics under the low temperature environment. In this study, a series of uniaxial tensile test was carried out varying temperature for austenitic stainless steel. The phenomena of the strain-induced plasticity have been observed on the all temperature ranges. The critical value for threshold of 2nd hardening due to the phase transformation induced plasticity as well as the increase of hardening have been reported. The summarized experimental results would be used for the validation of numerical techniques applicable for the nonlinear hardening behavior of austenitic stainless steel under the cryogenic temperature environment.
LNG CCS which is a special type of cargo hold operated at -163℃ for transporting liquefied LNG is composed of a primary barrier, plywood, insulation panel, secondary barrier, and mastic. Currently, glass fiber is used to reinforce polyurethane foam. In this paper, we evaluated the possibility of replacing glass fiber-reinforced polyurethane foam with basalt fiber-reinforced polyurethane foam. We conducted a thermal conductivity test to confirm thermal performance at room temperature. To evaluate the mechanical properties between basalt and glass-fiber-reinforced polyurethane foam which is fiber content of 5 wt% and 10 wt%, tensile and an impact test was performed repeatedly. All of the tests were performed at room temperature and cryogenic temperature(-163℃) in consideration of the temperature gradient in the LNG CCS. As a result of the thermal conductivity test, the insulating performance of glass fiber reinforced polyurethane foam and basalt fiber reinforced polyurethane foam presented similar results. The tensile test results represent that the strength of basalt fiber-reinforced polyurethane foam is superior to glass fiber at room temperature, and there is a clear difference. However, the strength is similar to each other at cryogenic temperatures. In the impact test, the strength of PUR-B5 is the highest, but in common, the strength decreases as the weight ratio of the two fibers increases. In conclusion, basalt fiber-reinforced polyurethane foam has sufficient potential to replace glass fiber-reinforced polyurethane foam.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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