ASTM E2714-09Standard Test Method for Creep-Fatigue Testing · 2015. 6. 16. · E467 Practice for Verification of Constant Amplitude Dynamic Forces in an Axial Fatigue Testing System

ASTM E2714-09 Standard Test Method for Creep-Fatigue Testing R&B INC.

Standard Test Method for Creep-Fatigue Testing

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Standard Test Method for Creep-Fatigue Testing 1. Scope 1.1 본 시험규격은 일정온도 조건에서 일축응력을 받는 균일한 재료에서의 creep-fatigue 변형이나 crack formation에 대한 시험규격이다. 이는 strain rate control의 피로 시험 중 충분히 긴 시간의 holding time을 가져 Creep이나 산화에 따른 영향을 받는 경우 적용한다. 이는 재료의 연구 개발, 설계, 공정 및 품질관리, 파손분석에 필요한 피로시험방법으로서 사용된다. creep-fatigue deformation 및 cracking에 영향을 주는 cyclic condition은 재료 및 온도에 따라 결정된다. 1.2 본 규격의 적용은 시편에만 적용되며 full-scale components, structures, consumer products에는 적용하지 않는다. 1.3 본 시험방법의 기본목적은 creep 변형을 유발하는 충분히 높은 온도에서 반복하중을 받는 경우 defect free 상태의 재료의 물성을 제공하기 위함이다. 1.4 본 시험방법은 constant-amplitude strain-controlled 시험이나 constant-amplitude force-controlled 시험의 결과로서 변형과 crack생성 또는 시작 등에 적용할 수 있다. 시험은 봉상의 시편에 일축응력을 가하여 수행한다. 시험과정은 creep 및 fatigue deformation에 주안점을 두고 있으며 손상은 주어진 반복cycle 내에서 동시에 발생한다. 본 시험은 creep과 fatigue가 순차적으로 발생하는 block cycle의 경우는 포함하지 않는다. creep-fatigue deformation 및 손상이 동시에 일어나는 조건에서 creep fatigue 시험으로부터 결정되는 data는 다음을 포함한다. (a) cyclic stress strain deformation response (b) cyclic creep (또는 relaxation) deformation response (c) cyclic hardening, cyclic softening response (d) cycles to formation of a single crack 또는 multiple cracks in test specimens. NOTE 1—crack은 생성과 전파과정을 통하여 형성되므로 현재의 기술을 사용하여 측정가능한 크기 까지는 uncracked 상태로 간주한다. 본 규격의 목적을 위하여 crack의 형성은 시편의 compliance나 potential drop이 증가하는 것으로 평가한다. 자세한 사항은 9.5.1 참조 1.5 본 규격은 time-dependent inelastic strains (creep)의 크기가 time independent inelastic의 크기와 같은 order이거나 큰 온도 및 strain rate에 적용한다. NOTE 2—본 난의 inelastic 은 모든 nonelastic strains을 뜻한다. plastic은 inelastic strain의 단지 시간의존성 (즉 non-creep) 부분을 의미한다. time-independent strain의 유용한 공학적인 추정은 strain rate가 일정속도 이상인 경우 얻을 수 있다. 예로서 1x10-3 sec-1 strain rate를 사용하며 이 값은 측정하면 할수록 증가하게 된다. 1.6 SI 단위로 표기된 값은 표준 값으로 인정한다. 측정에 대한 어떤 다른 단위 값도 본 규격에 포함되지 않는다. 1.7 본 규격은 안전에 관련하여 언급하지 않았으며, 만약 본 규격의 사용이 안전과 관련된다면, 사용하기 전 적합한 안전절차와 건강에 대한 절차확립에 대한 책임은 사용자에게 있다.

2. Referenced Documents 2.1 ASTM Standards

E4 Practices for Force Verification of Testing Machines E8/E8M Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials E83 Practice for Verification and Classification of Extensometer Systems E111 Test Method for Young’s Modulus, Tangent Modulus, and Chord Modulus E139 Test Methods for Conducting Creep, Creep-Rupture, and Stress-Rupture Tests of Metallic Materials E177 Practice for Use of the Terms Precision and Bias in ASTM Test Methods E220 Test Method for Calibration of Thermocouples By Comparison Techniques E230 Specification and Temperature-Electromotive Force (EMF) Tables for Standardized Thermocouples E467 Practice for Verification of Constant Amplitude Dynamic Forces in an Axial Fatigue Testing System E606 Practice for Strain-Controlled Fatigue Testing E647 Test Method for Measurement of Fatigue Crack Growth Rates E1012 Practice for Verification of Test Frame and Specimen Alignment Under Tensile and Compressive Axial Force

Application E1823 Terminology Relating to Fatigue and Fracture Testing E2368 Practice for Strain Controlled Thermomechanical Fatigue Testing

2.2 BSI Standards BS 7270: 2000 Method for Constant Amplitude Strain Controlled Fatigue Testing BS 1041-4:1992 Temperature measurement – Part 4: Guide to the selection and use of thermocouples


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2.3 CEN Standards EN 60584-1–1996 Thermocouples – Reference tables (IEC 584-1) EN 60584 -2– 1993 Thermocouples – Tolerances (IEC 584-2) PrEN 3874–1998 Test methods for metallic materials – constant amplitude force-controlled low cycle fatigue testing PrEN 3988–1998 Test methods for metallic materials – constant amplitude strain-controlled low cycle fatigue testing

2.4 ISO Standards ISO 12106–2003 Metallic materials – Fatigue testing - Axial strain-controlled method ISO 12111–2005 (Draft) Strain-controlled thermomechanical fatigue testing method ISO 7500-1–2004 Metallic materials – Verification of static uniaxial testing machines – Part 1 Tension/compression

testing machines – Verification and calibration of the force measuring system ISO 9513–1999 Metallic materials – Calibration of extensometers used in axial testing ISO 5725–1994 Accuracy (trueness and precision) of measurement methods

2.5 JIS Standard JIS Z 2279–1992 Method of high temperature low cycle fatigue testing for metallic materials

3. Terminology 3.1 본 시험방법의 용어는 E1823, E1823에도 포함된다. 3.2 Symbols 및 각종 영어 및 규정은 3.2.1, 3.3, 3.4에 정리하였다. 3.2.1 Symbols: Symbol Term d [L] 봉상시편 평행부 직경 Dg, [L] 그립부 직경 N, E, Eo, EN, [FL-2] Elastic modulus, initial modulus of elasticity, modulus of elasticity at cycle ET, EC[FL-2] Tensile modulus, compressive modulus P [F] Force L, lo[L] Extensometer gage length, original extensometer gage length L, Lo, [L] Length of parallel section of gage length, original length of parallel section of gage length N, Nf Cycle number, cycle number to crack formation r [L} Transition radius (from parallel section to grip end) εmin / εmax, Rε Strain ratio σmin / σmax, Rσ Stress ratio Ƭ Time T [θ] Specimen temperature Ti[θ] Indicated specimen temperature N versus σmax Crack formation or end-of-life criterion is expressed as a percentage reduction in maximum

stress from the cycles, N versus smax curve when the stress falls sharply (see Fig. 1), or a specific percentage decrease in the modulus of elasticity ratios in the tensile and compressive portions of the hysteresis diagrams, or as a specific increase in crack size as indicated by an electric potential drop monitoring instrumentation.

ε, εmax, εmin Strain, maximum strain in the cycle, minimum strain in the cycle εea, εpa, εta Elastic strain amplitude, plastic strain amplitude, total strain amplitude ∆εe, ∆εp, ∆εt Elastic strain range, plastic strain range, total strain range (see Fig. 2) ∆εin Inelastic strain range, (see Fig. 2) is the sum of the plastic strain range and the creep

strains during the cycle; it is the distance on the strain axis between points of intersections of the strain axis and the extrapolated linear regions of the hysteresis loops during tensile and compressive unloading

σ, σmax., σmin. Stress, maximum stress in the cycle, minimum stress in the cycle ∆σ Stress range 3.3 용어해설 3.3.1 cycle- 피로시험 시 일정 진폭의 하중이나 Strain이 완전히 한 주기를 반복하는 과정 3.3.2 hold-time, Ƭ h[T]—피로시험 시 한 cycle내에서 control 값(하중이나 Strain)이 일정하게 유지되는 시간 (Fig. 3). 3.3.2.1 Discussion—Hold- time(s)은 일반적으로 인장 또는 압축의 최대값에서 유지하나 다른 값에서도 가능하다. 3.3.3 total cycle period, Ƭt [T],- 한 cycle에 걸리는 시간으로서 Ƭt 는 유지시간과 비유지시간의 합으로 나타내는 경우에는 non-hold components (Ƭnh)과 hold time으로 나눌 수 있다. 3.3.4 hysteresis diagram—Cycle에서의 stress-strain path (see Fig. 2). 3.3.5 initial modulus of elasticity, Eo, [FL-2]—첫째 cycle에서 결정되는 modulus of elasticity


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3.3.6 modulus of elasticity at cycle N, (EN, [FL-2]— Nth cycle의 Stress-strain curve에서 increasing load portion (see Ec in Fig. 2) 및 decreasing load portion (ET in Fig. 2)에서 구해지는 modulus of elasticity의 평균값 3.3.7 stress range, ∆σ , [FL-2]-최대 응력 및 최소응력 차이 3.3.7.1 Discussion—creep-fatigue tests의 경우 최대, 최소 응력 차이는 peak stress range”라고 부르며 strain control의 경우에는 control parameter가 반대방향으로 가는 점에서의 응력차이를 “relaxed stress range” (see Fig. 2b)라고 칭한다. 3.4 Definitions: Definitions of Terms Specific to This Standard: 3.5 DCPD and ACPD— 교류 및 직류 electrical potential drop crack monitoring instrumentation. 3.6 homologous temperature – 시편의 온도를 재료의 융점으로 나눈 값으로 °K로 표시 3.7 crack formation – crack이 생성되고 진전된다고 평가되는 것으로 crack을 측정할 수 있는 크기에 도달한 것을 의미

4. Significance and Use 4.1 Creep-fatigue시험은 일반적으로 고온에서 수행되며 반복적 또는 동시적으로 하중을 가하여 creep deformation/ damage에 의하여 가속되는 cyclic deformation/damage 또는 그 반대 현상을 보기 위함이다. 진공이나 불활성 분위기가 아니라면 산화도 매우 중요한 인자로서 손상을 가속시킨다. 시험의 목적은 다음과 같은 재료의 물성을 결정할 수도 있다. (a) 고온에서 사용하는 구조물의 변형과 손상의 평가 자료 (b) 변형 및 손상 model의 효율성에 대한 검증 (c) 재료의 특성 (d) 고온에서 저주기 반복하중이나 steady operation 상태에서 사용하는 부품의 수면평가 방법의 개발 및 검증


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4.2 모든 경우 보완적으로 같은 재료에 같은 온도로 실험한 연속적인 cycling fatigue data (같은 strain/ loading rate로 얻은) 및 E139에 따라 결정된 creep data를 얻는 것을 추천한다. 시험과정은 우선적으로 봉상 시편을 사용한다. 시험과정의 주안점은 한 cycle 내에서 creep 및 fatigue 변형 및 손상이 동시에 일어나는 조건으로 시험하는 것이다. 이런 조건에서 수행된 creep-fatigue 시험으로부터 결정되는 data는 다음과 같은 특성을 분석할 수 있다. (a) cyclic stress-strain deformation response (b) cyclic creep (or relaxation) deformation response (c) cyclic hardening, cyclic softening response (d) cycles to crack formation 4.3 low cycle fatigue deformation 및 cycles to crack initiation properties를 결정하는 시험방법 및 Code는 다양하며 (See Practice E606, BS 7270: 2000, JIS Z 2279–1992, PrEN 3874, 1998, PrEN 3988–1998, ISO 12106–2003, ISO 12111–2005, E2368-04 and (1, 2, 3)7, 일부는 고온 시험에 대한 규정을 하고 있으며 (예로서Practice E606, ISO 12106–2003, Practice E2368-04) creep-fatigue testing의 과정을 특별히 규정하는 표준은 없다. 5. Functional Relationships 5.1 일반적으로 사용하는 creep-fatigue data를 위한 수학적인 관계식은 Appendix X1과 같다. 이 관계식은 일반적으로 재료에 따른 적용한계를 가지는데 주로 high temperature ferritic 및 austenitic steels 대 nickel base alloys등이다. 따라서 original data는 필히 기록되어야 한다. Data reduction methods는 가정에 따라 자세히 기술되어야 한다. 충분한 정보가 기술되어야 하며 수용되는 분석, 해석 및 최근 사용하는 방법에 따른 결과와의 비교 등이 포함되어야 한다.


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6. Apparatus 6.1 Test machines: 6.1.1 시험은 ISO 7500-1–2004 또는 ASTM E4-03 및 E467-04에 의하여 검증된 servo-controlled tension-compression fatigue machine을 사용하여 수행한다. Hydraulic 및electromechanical machines 모두 가능하다. 시험기는 부드럽게 시작되어야 하며 인장/압축영역을 지날 때 backlash가 없어야 한다. 또한 section 6.3에 규정된 요구조건을 충족시킬 수 있도록 압축 시 정밀한 축정렬을 가지도록 높은 lateral stiffness를 가져야 한다. 6.1.2 loading system은 force transducer, loading grips 및 시편이 6.3에 규정된 요구조건을 만족하도록 매우 큰 lateral stiffness를 가져야 한다. 더욱이 strain 이나 force control로 반복시험이 가능하여야 한다. control 안정성은 range의 최대 최소값에서 1% 이내로 조절되어야 한다. 6.2 Force transducer: 6.2.1 하중계는 ISO 7500-1–2004을 만족하거나 ASTM E4-03, Practice E467-04에 따라 교정되어야 한다. 6.2.2 하중계는 tension compression fatigue testing 용으로 설계되어야 하며 6.3 규정을 만족하여야 한다. 용량은 시험 전체에서 측정되는 하중을 측정하는데 충분하여야 하며 지시값의 1% 이내의 정밀도를 가져야 한다. 6.2.3 자체온도보상이 되어야 하며 zero drift 가 없어야 하며 민감도 변화는 용량의 0.002% / °C (See Practice E606)이내 이어야 한다. 시험 중 하중계의 온도는 제작자에 의하여 규정된 온도보상 범위 내로 유지되어야 한다. 6.3 Loading Grips: 6.3.1 bending strain을 최소화 또는 Axial strain이 시편의 평행부에 균일하게 분포하기 위하여서는 전 시험 cycle 동안 시편의 중심선이 grip의 중심선과 가급적 일치하여야 한다. 또한 축정렬은 각 시편마다 동일하게 유지되어야 한다. Alignment는 trial test diameter 방법으로 check 하여야 한다. trial test specimen은 축에 대하여 회전하여야 하며 설치 후 4방향에서 측정하여야 한다. 최대 bending strain은 최소 axial strain의 5%이내이어야 한다.. NOTE 3 – 일정한 gage length를 가지는 시편의 경우에는 추가적인 gage set를 장착하여 사용하는 것이 유리하다. 이 경우 한 set는 평행부의 중앙에 설치하여 specimen axis에 수직한 축에 대한 시편 끝단의 상대적인 회전에


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따른 misalignment를 측정하는데 사용하고. 다른 gage set는 중앙으로부터 떨어진 곳에 설치하여 시편 끝단의 상대적인 lateral displacement를 측정하는데 사용한다. axial strain이 일정할수록 낮은 and lower the bending strain일수록 재현성 있는 결과를 얻을 수 있다. 6.3.2 하중축은 냉각장치가 있어 열이 기기에 전달되는 것을 방지하여야 하며 특히 load cell에는 열이 전달되지 않도록 하여야 한다. 하중센서의 영점과 감도는 열에 의하여 drift가 발생하며 50°C이상이 되면 영구 손상이 올 수 있다. 적절한 냉각장치로는 loading bar의 끝단에 fin을 설치하고 압축공기를 이용하여 공냉하는 방법이나 cooling coil이나 jacket을 이용한 수냉 방법을 사용한다. 특히 cooling 장치가 축정렬이나 하중 sensor의 교정에 영향을 주지 않도록 주의하여야 한다. 6.3.3 loading bars는 시편이 장착되는 grip에 연결되며 인장압축 방향이 바뀌는 무하중일 때 움직임이 있어서는 않된다. (4, 5, 6) Practice E1012-99참조. 이를 위하여는 설계 시 다음 사항을 고려하여야 한다. (a) a loading surface through which the load in one direction will be transmitted (b) a surface ensuring alignment of the test specimen axis (c) a second loading surface through which the load in the reverse direction is transmitted (d) an arrangement maintaining the loading surfaces in contact with the specimen 일반적인 loading train misalignment 문제는 Fig. 4 와 같은 bending을 유발하며 필히 피하여야 한다. 6.4 Extensometer: 6.4.1 extensometer는 dynamic displacements를 전 시험기간 동안 측정할 수 있어야 하며 장 시간 사용에도 최소한의 drift및 slippage, instrument hysteresis가 적어야 한다. 변형량을 조절하는데 사용하는 extensometer는 매우 빠른 응답성을 가져야 하며 낮은 hysteresis (0.1% of extensometer output)를 가져야 한다. Strain gage 또는 LVDT type transducers 가 대부분 사용되며 E83-02 및 ISO 9513–1999에 따라 교정되어야 한다. 이런 조건을 만족하는 extensometer는 E83-02에 제시된 Grade B2이상이나 ISO 9513–1999에 제시된 Class 0.5이상이어야 한다. 6.4.2 평행한 gage section을 가지는 시편용 Extensometer는 longitudinal extension을 측정한다. rounded contact edges 를 가지는 side-entry contacting extensometer가 추천된다. 주로 light spring pressure를 이용하여 시편에 장착하는데 extensometer body는 독립적으로 장착하여 probe tips 및 시편표면에 가능한 힘을 가하지 않도록 한다. (see Note4). NOTE 4—If specimens with ridge가 있는 시편을 이용하여 crack formation의 특성을 측정하는 경우에 cracking이 ridge 부분의 영역에 국한된다면 시험은 무효로 처리된다. 이 시편형상은 단지 cyclic deformation properties를 결정하는데 우리하다. 6.4.3 모래시계 형상의 시편의 경우에는 diametral deformation을 측정하며 extensometer tips은 최소직경 부위에 설치한다. Extensometer는 독립적으로 지지되고 counterbalance 등을 이용하여 첩촉력을 최소화 하여 notch등이 생기지 않도록 하여야 한다. NOTE 5—diametral extensometers의 반복성 및 감도는 axial extensometer 비하여 현저히 낮은 편이므로 axial extensometer의 사용이 가능하다면 가급적 사용하지 않는 편이 유리하다.

6.5 Crack Monitoring: 6.5.1 필수사항은 아니지만 E647에서 규정한 direct current (DCPD) 및 alternating current (ACPD) electrical


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potential-drop crack monitoring system이 crack formation을 결정하는데 사용된다. NOTE 6—시편은 frame과 절연상태를 유지하여 불안정한 potential drop을 방지하여야 한다. 6.5.2 DCPD 또는 ACPD system은 crack extensions을 적어도 ±0.1mm 이내로 측정 가능하여야 한다. 6.5.3 induction heating을 사용하는 경우에는 multiple charged couple device (CCD) camera를 시편 주위에 장착하여 사용하기도 한다. 6.6 Heating System: 6.6.1 가열 방법은 다음과 같은 방법을 포함한다.(a) resistance furnace heating (b) radiant furnace heating (c) induction heating (see Note 7), (d) inert gas or liquid heating. 가열장치는 시편이 고르게 가열되수 있어야 하며 gage section의 온도차이는 2ºC이하나 시험온도의 1% 이하이여야 하며 저항로의 경우에는 3zone으로 control하는 것이 유리하다. NOTE 7- induction heating의 경우 RF generator frequency는 시편의 직경에 따라 결정된다. 큰 직경의 시편(20mm 이상)의 경우에는 “skin heating effects”를 피하기 위하여 충분히 낮은 주파수(10KHz이하)를 사용하며 주로 사용하는 영역은 70 ~400 KHz 정도이다. 6.6.2 가열장치는 원치않는 온도구배나 변동을 방지하기 위하여 찬바람의 유입을 차단하여야 한다. 온도는 시험 전 과정에서 ±2°C 이내 6.7 Temperature Measurement 6.7.1 시편의 온도 측정은 열전대를 이용하거나 optical pyrometers를 이용한다.단 이경우 열전대를 장착한 trial test specimen을 이용하여 교정을 하여야 한다. 모든 경우 시편과 열전대의 접촉이 완벽하여야 한다. 그러나 시편의 표편에 흠을 내어서는 안된다. 전기로를 사용하는 경우 열전대의 bead는 직접 복사로부터 차단하여야 한다. NOTE 8- 시편의 shoulders에 정착된 열전대로부터 보조적인 온도측정을 하지 않는 경우에는 Optical pyrometers는 시편재질이 산화되는 경향이 있다면 시편의 온도측정에는 사용하지 않는 것이 좋다. 6.7.2 induction heating을 사용하는 경우에는 열전대의 각 선을 시편어깨 부분에 180도 방향으로 spot welding하여 시편 자체를 bead로 만드는 것이 좋다. stress-strain 거동 만을 측정한다면 gage section에 열전대를 부착해도 가능하다. 온도 측정 및 교정방법은 다음 방법에 따른다. E220-02, E230-03, ISO 9513–1999, EN 60584-1–1996, EN 60584-2–1993,BS 1041-4:1992. NOTE 9—400ºC 이상에서는 rare metal thermocouples 즉 Type R 또는 S가 유리하다. NOTE 10—The use of Type K 열전대를 400ºC이상에서 사용한다면 600°C에서는500h 이내. Type N 열전대는 800°C에서 500h 이내로 사용하는 것이 좋다. 6.8 Cycle Counter: 6.8.1 5 digit counter를 사용 10,000 cycles이내이면 각 cycle이 check되고 긴 시험이라면 총 시험시간의 1% 이내의 resolution을 가져야 한다. 6.9 Data recording 6.9.1 automatic digital recording system이 필요 - force, displacement, temperature data as a function of time ,cycles. hysteresis loop 및 hold time transient(s)을 check 하기 위하여 충분한 data가 필요. NOTE 11—대략 200point의 data가 필요 NOTE 12—stroke position의 측정도 필요 (extensometer slippage가 일어날 경우) 6.9.2 X-Y recording이 필요- (현재는 거의 필요없는 상황 같음) . NOTE 13—X-Y and multi-channel X-t recorders 사용가능(역시 현재는 거의 불필요) 6.9.3 DCPD 또는 ACPD electrical crack monitoring을 사용하는 경우 reference voltages를 monitoring 6.10 Verification of Loading and Heating Systems: 6.10.1 Alignment—5% of the minimum axial strain range 6.10.2 Verification of Temperature Homogeneity—시편의 형상이 바뀔 때 furnace 위치가 변할 때는 온도 검증을 dummy specimen을 사용하여 한다. 열전대 거리는 ≤d(시편직경) 로 몇 개의 열전대를 설치하여 측정하고 결과는 6.6 규정을 만족하여야 한다.


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7. Test Specimens 7.1 Geometry: 7.1.1 Uniform Gage Section Test Specimens—Fig. 5a.

NOTE 14—평행부 길이, Lo, 는extensometer gage length, lo보다 길어야 한다. 그러나 L0-l0 는 d 보다 작아야 한다. 파손이 extensometer gage length 밖에서 일어나는 것을 감소시키기 위하여 NOTE 15—For cycles involving a component of loading in compression, lo# 4d is recommended to avoid buckling. NOTE 16—Notch sensitive materials이나 cyclic hardening 재료는 threaded end의 파손 방지를 위하여 최소 grip-end diameter, Dg,는 3.5d 7.1.2 시편의 정밀도


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7.1.3 end connections의 크기는 기기의 기능으로서 결정 (see Note 17). Grip은 test specimen end의 형상에 좌우되며Fig. 6 참조 NOTE 17—through-zero loading이 적용되는 시편의 grip 방법은 threaded 및 button-ended end-grip arrangements가 적당 일반적으로 gripping 시 시편을 preloading한다(for example, Fig. 6). threaded ended 시편의 경우 limited tolerance thread를 추천 NOTE 18—일반적으로 test specimen alignment를 위한 설계는 screw thread를 추천하지 않는다. NOTE 19—clamping force는 cyclic load보다 충분히 커서 backlash를 방지하여야 한다. 7.1.4 Tubular Test Specimens—Induction heating시 radial thermal gradients가 적다. 또한 concentricity, parallelism, perpendicularity 및 surface finishing이 용이 NOTE 20—tubular test specimens의 내부 표면조도는 외부와 같거나 우수하여야 한다. 노출부가 두배 이므로 crack initiation이 일어날 확률이 solid bar에 비해 두배 따라서 표면 가공이 매우 중요하며 축 방향으로 가공하여야 한다. 7.1.5 Hour-Glass Test Specimens-Fig. 5b 참조 high strain range 시험시 Bucking 을 방지하기 위하여 사용. 이경우 diametral extensometer가 사용되며 diametral strain to axial strain 환산은 E606 Appendix X2 참조 7.1.6 Notched Test Specimens—원주방향 notched round bar test specimen은 triaxiality on creep-fatigue endurance


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(cycles to crack formation)의 영향을 결정하는데 사용 NOTE 21—이 경우는 사용자의 목적에 따라 시편의 크기가 결정 7.1.6.1 Crack 생성 측정 - electrical potential drop crack monitoring system사용 7.2 Preparation: 7.2.1 Sampling and Identification- 시험에 지장이 없으며 산화해도 알아볼수 있게 marking 시편 양쪽 끝면이 적당 7.2.2 Test Specimen Machining—mean roughness 0.2 μm Ra 이하 7.2.2.1 Final machining 및 polishing은 원주방향의 흠이 없도록 수행하며 20x 확대경을 check 7.3 Dimensional Check—최종 가공 후 시편 표면에 흠집이 나지 않도록 측정 7.4 Sensor Attachment: 7.4.1 loading grips에 넣기 전 열전대를 시편에 spot welding으로 부착 NOTE 22—heat resistant cord나 soft wire (platinum)를 사용하여 열전대를 부착하는 경우에는 grip에 장착 후 가능 7.4.2 유사하게 current input 및 voltage monitoring lead wire 역시 grip에 장착하기 전 부착 8. Procedure 8.1 Test Specimen Mounting—축정렬에 방해되지 않고 시폄 표면에 흠이 나지 않도록 장착 8.2 Extensometer Attachment—지시서에 따라 장착 .NOTE 23- 너무 높은 contact-pressure는 premature failure initiating을 이르키고 너무 낮은 contact-pressure는 extensometer slip 유발 8.3 Cycle Shape—creep-fatigue testing에는 다음과 같은 cycle shapes을 사용 (a) low frequency triangular wave forms with low control parameter ramp rates (b) saw-tooth wave forms in which the ramp rate of the tensile-going transient is significantly different to that of the compression going transient (either of which can be the lowest ramp rate transient) (c) Cyclic/hold forms comprising a series of ramps with hold-time(s) of the control variable (the ramp rates may not always be the same). 대표적인 creep-fatigue cycle shapes은 Fig. 3 참조 사용한 waveform은 필히 기록 8.4 Preliminary Measurements—시험 전 여러 문제점을 파악하기 위한 사전 측정항목 (a) 상온 및 시험온도에서의 elastic modulus. 추정값 보다 10%이상의 차이 이내이어야 한다. 측정방법 ISO 12106– 2003, ASTM E111-04, BS 1041-4:1992 (b) 시험온도에서의 평균열팽창계수 측정(machine at zero force). 측정값이 문헌상의 값과 차이가 10%이내 8.4.1 extensometer를 상온에서 장착하고 시험온도에서 재 조정을 하지 얺는 경우 열팽창에 의한 조정이 필요 NOTE 24—상온에서 장착하고 시험온도에서 zero로 조정 8.5 Heating the Test Specimen—가열 후 적어도 30 min후 부하. 가열 시 6.6 및8.6.4.에 제시한 온도를 넘지 않게 조절. 시편은 가열 시 시험온도에서의 항복강도의 10% 이상 부하를 받으면 안된다. 8.6 Starting and Conducting the Test: 8.6.1 무부하상태 시 extensometer output을 zero 조정 8.6.2 loading sequence의 영향을 평가하는 시험이 아니라면 첫번째 cycle의 첫째 quarter는 인장 8.6.3 control parameter의 안정성은 cycle-to-cycle 0.5% 이내 및 전 시험영역에서 2% 이내 NOTE 25—시험이 중간에 정지되었을 경우 시편이 추가적인 변형이나 하중을 받지 않았다면 재 시험 가능. 단 자세한 기술이 필요 8.6.4 Temperature Control: 8.6.4.1 전 시험기간동안 , i) (see Note 27) ±2°C 이내 유지 ii) 평행부 온도 (dTi) ±max(2°C, 0.01.Ti)이내 see ISO 5725–1994. NOTE 26—열팽창에 의한 gage length의 변화가 일어나는 strain controlled cyclic/hold time, creep-fatigue test의 경우 매우 정밀한 온도 control 필요 (for example, see Practice E2368-04). NOTE 27—thermoelastic effect에 의하여 온도변화가 발생하며 high strain rate에서는 일반적으로 ±2°C NOTE 28— 시험실 주위 온도 및 습도도 일정하게 유지하는 것이 중요 특히 holding time이 있는 경우는 더 주의 NOTE 29—induction heating 시 자성재료의 경우는 와전류에 의한 응력변화가 발생. 온도가 6.6의 규정을 초과하는 경우에는 susceptor를 사용하거나 다른 열원으로 대체 NOTE 30—시편의 양단에서는 induction coil winding의 방향이 온도구배에 영향을 준다. 가장 좋은 방법은 양단의 coil의 방향을 반대로 감아주는 방법이다. 주로 ferritic steels에 사용한다 그러나 austenitic materials는 magnetic permeability가 낮고 따라서 RF generators의 power가 급격히 증가한다. 이런 재료들은 약간 높은 온도구배를 허용한다 약 5°C NOTE 31— ferromagnetic 재료의 notches 및 cracks 주변의 응력구배는 비 정상적인 온도변화를 유발한다. 사전에 6.6의 조건을 만족하는지 검증하여야 한다. 필요하다면 수정하여야 한다.


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9. Test Records 9.1 Cycle Peaks—시험 중 다음과 같은 항목을 연속적으로 기록되어야 한다. force, extension, temperature, crack condition (if PD instrumentation attached), maximum 및 hold time(s)의 시작 및 끝 에서의 minimum force, extension, 9.2 Load-Extension Hysteresis—시험 시작 initial force-extension hysteresis loops 및 시험 중 주기적인 기록이 충분하여야 한다. 기록 주기는 logarithmic increment로서 예로 1, 2, 5, 10, 20 50 등 만일 자동 기록장치라면 사전에 기록 주기를 결정할 수도 있고 force 및 extension의 값으로 기록주기를 조절할 수도 있다. 어느 경우에도 hysteresis loop (see 3.3.3)를 결정할수 있도록 충분히 받아들여야 한다. NOTE 32—장시간 시험인 경우 계속적인 monitoring이 불가능한 경우에는 buffer file 을 게속적으로 사용할 것을 추천한다. 이는 이상현상의 전 후 사정을 추전하는데 유용하다. 9.3 Time-Dependent Parameters—Force, extension, temperature 를 계속적으로 기록 (see 9.1 and 6.9). 9.4 Crack Formation—최소한 development of cracking의 진전을 PD로서 기록 (identified in 9.1). 예로 어떤 경우 긴 유지시간이 있는 경우 crack formation 및 propagation의 기록은 적절하다. 9.5 End of Test—내구성 시험의 경우 crack formation 및 end-of-test criteria를 정의하는 것은 매우 중요하다. end-of-test는 일반적으로 최대 인장강도의 특정 %로서 정의한다. 예로 10%, 라면 x=10 in Fig. 1. 시편이 완전히 분리되기 전에 시험을 끝내는 것이 좋으며 당므에 열거하는 손상을 방지할 수 있다. a) extensometer b) fracture surface. 파단면이 이차적인 손상을 받지 않아야만 조직학적인 평가에 유리하다. NOTE 33—인장강도의 특정 % 감소 기준은 Fig. 1에서와 같이 strain controlled 시험에서만 적용된다. 9.5.1 Crack Formation Criteria—Selecting an appropriate 적절한 crack initiation criterion의 선택은 creep-fatigue endurance data의 비교에 매우 중요하다. 실질적으로 number of cycles to crack formation에 대한 cycle은 specific crack size (or cracked area)를 얻는 cycle 수이다. 이는 다음과 같은 기준으로 결정된다. (a) Fig. 1의 x%와 같이 시험 중 최대인장강도의 특정% 감소 (b) hysteresis diagrams의 인장 및 압축에서의 modulus of elasticity ratio의 특정 % 감소 (c) maximum compressive stress에 대한 maximum tensile stress의 특정 % 감소 (d) electrical potential drop crack monitoring instrumentation에 의한 crack 크기의 특정 증가 . (a) ~ (d) 방법은 apply to tests conducted under strain control의 경우 모두 가능하나 force control의 경우에는 b)와 d) 방법만이 가능하다. NOTE 34—일반적으로 strain control의 경우 최대 인장강도 2%의 감소를 기준으로 사용하나 모든 재료에 적합하지는 않다. 이 정도에 해당하는 crack 크기는 cyclic hardening 및 softening 재료에서는 다르다. 더욱이 어떤 재료는 미세조직이 응력과 온도에 노출되므로 최대응력의 변화가 crack formation과 관련이 없을 수도 있다. 이런경우에는 10%감소를 crack formation의 기준으로 정한다. Metallographic analysis of the crack sizes의 미세조직 분석과 최대응력 감소와의 상관관계에 대한 분석은 crack formation criterion 을 결정하는데 유용하며 가능하면 시험 후 분석을 추천한다. NOTE 35—DCPD 및 ACPD instrumentation는 un-notched specimen creep-fatigue endurance 시험에서는 일반적으로 사용하지는 않지만 0.5 mm이하의 crack 기준이나 force control 시험에서는 사용한다. DCPD system은 crack의 진전에 유용하며 system는 표면 crack의 측정에 유용하다. NOTE 36—load-controlled 시험의 경우에는 (b) 와 (d) 만이 가능 9.5.2 Shutdown—시험이 끝나면 가능한 빨리 furnace를 shutdown 시켜 추가적인 산화나 crack surface의 변화를 최소화 하여야 미세조직 분석에 도음이된다. 또한 냉각 시 가능한 추가 하중이 시편에 전달되지 않도록 한다. 9.6 Post-test Examination: 9.6.1 The extent and location(s) of cracking의 크기 및 위치를 결정하고 기록한다. 특히 시작부분이 다음과 같은 경우는 주의를 요한다. (a) between the extensometer probes (b) under an extensometer probe or at a thermocouple location (c) in the gage section, outside of the extensometer gage length (d) in the transition radius or (e) in the test specimen grips. 9.6.2 optical 및 scanning electron microscopy를 이용하여 crack initiation이 surface scratches로부터 시작되지 않았음을 증명하여야 한다. 9.6.3 Fatigue 및 creep damage fractions, crack formation 및 crack development에 관련된 mechanism을 미세조직 관찰을 통하여 기록 NOTE 37—미세조직 검사는 시험의 요구조건에 따른다. 최소한으로 crack initiation 및crack development의 mechanism을 정성적으로 기록한다. 좀더 자세한 검사는 fatigue crack size distribution 및 시편의 gage section의 creep cavity/cracking density distributions을 포함한다.


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10. Report 10.1 Essential Information—The test report on each test specimen shall contain: 10.1.1 Reference to this standard, 10.1.2 Material specification, 10.1.3 Modulus of elasticity and coefficient of thermal expansion, 10.1.4 Test specimen identity, type, dimension and reference to a documented method of preparation, 10.1.5 Test temperature, 10.1.6 Actual (and specified, if different) environment, cycle shape, 10.1.7 Strain (or force) ratio, including control parameter range applied, 10.1.8 Frequency or total strain (or loading) rate, and 10.1.9 Details of hold time(s) such as position(s), duration(s), control parameter(s). 10.1.10 Record for every cycle of stress, strain, temperature and crack condition (if PD instrumentation attached) at

cycle turning points, that is, at cycle peaks, start and end of hold time(s). 10.1.11 Characteristics of the First Cycle: 10.1.11.1 Maximum and minimum strain, 10.1.11.2 Strains at start and end of hold time(s), 10.1.11.3 Maximum and minimum stress, 10.1.11.4 Stresses at start and end of hold time(s), 10.1.11.5 Moduli of elasticity (ET and EC), and 10.1.11.6 Inelastic strain range. 10.1.12 Characteristics of the Half-life Cycle: 10.1.12.1 Cycle number at mid-life, 10.1.12.2 Maximum and minimum strain 10.1.12.3 Strains at start and end of hold time(s), 10.1.12.4 Maximum and minimum stress, 10.1.12.5 Stresses at start and end of hold time(s), 10.1.12.6 Modulus of elasticity (ET and EC), and 10.1.12.7 Inelastic strain range. 10.1.13 Number of Cycles to crack formation, 10.1.13.1 Crack formation criterion. 10.1.14 Number of Cycles to Failure, 10.1.14.1 End-of-test criterion. 10.1.15 Details of Post Test Examination: 10.1.15.1 Fracture location(s) relative to the extensometer probes and transition radii, 10.1.15.2 Any evidence to indicate that cause of failure might invalidate the test result, and 10.1.15.3 Damage and fracture mechanisms observed in metallographic and SEM examinations. 10.2 Any deviation from this standard that might have an influence on the test result 10.3 Additional Information: 10.3.1 The following information is valuable and recommended for inclusion in the test report: 10.3.1.1 Material composition, heat treatment, microstructure, elastic modulus at room temperature and the test

temperature, and coefficient of thermal expansion 10.3.1.2 Uniaxial tensile properties at room temperature and test temperature (including elongation and reduction of

area at fracture, and the strain rates at which they were obtained as per Practice E8/E8M.) 10.3.1.3 Complete identification of the part or product form from which the test-pieces are taken, or both, 10.3.1.4 Precise position and orientation of each test-piece, 10.3.1.5 Predominant material orientations due to the manufacturing process, such as rolling direction or casting direction,

10.3.1.6 Testing machine, heating device, extensometer, 10.3.1.7 Gage length of the extensometer, 10.3.1.8 Temperature distribution along gage length and variation with cycle number, 10.3.1.9 Details of PD instrumentation (if applicable), and 10.3.1.10 Position of PD instrumentation probes. 11. Precision and Bias 11.1 Inter-laboratory Test Programs—없음 NOTE 38 – 여러시도가 있었고 (7-9). 결론은 round-robins 결과 factor of ±2 11.2 Bias—This method is expected have no bias because creep-fatigue properties are defined in accordance with this method.


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12. Keywords 12.1 crack formation; creep; creep-fatigue damage; cyclic deformation; early crack growth; fatigue; metallic materials APPENDIX (Nonmandatory Information) X1. FUNCTIONAL RELATIONSHIPS X1.1 Introduction—This appendix provides examples of two empirical relationships that can be used to correlate isothermal creep-fatigue data. Several empirical techniques are available in the literature to correlate creep-fatigue cyclic life data with the testing variables. Only relationships that can be readily implemented using the control parameters and measurements, typically taken from hysteresis loops at half life, are given. These relationships result in good correlations when the hysteresis responses of all the test data exhibit measurable inelastic strain and there is no significant change in the time-dependent mechanism in the set of data being correlated. The wave form can affect the damage mechanism (i.e., the relative creep and/or environmental damage contribution). When the degradation mechanism in a set of data varies, relationships that account for these mechanisms must be considered to obtain a satisfactory correlation. These relationships are not considered here because further microscopic examination of the test specimens is needed to establish these mechanisms, which is beyond the scope of this test method. X1.2 Frequency-Modified Strain-Life—The first relationship modifies the cycles to failure with frequency of the cycle(10),

and the constants are C, b, and k. The constants are determined by a regression analysis. To verify the goodness of the regression analysis, it is convenient to plot the test data and correlation on the axes, D´innb(k-1) versus Nf . When k =1, this relationship reduces to the time-independent strain-life relationship (that is, fatigue life does not depend on frequency of the cycle). X1.3 Frequency Modified Tensile Hysteresis Energy—The second relationship captures mean stress effects that are often significant for high strength, low ductility materials such as cast nickel-base superalloys (11),

, k1, and β1 are regression constants and the remaining symbols have the same meaning as before. To verify the goodness of the regression analysis, it is convenient to plot the test data and correlation on the axes, versus . X1.4 Effective Frequency—The wave form influence can be potentially captured using an effective frequency. The actual frequency v is defined as the inverse of the total time for one cycle. However, different segments of the cycle may not be equally damaging. For example, in ductile materials, compressive holds may partially heal creep damage generated during tensile holds, resulting in a diminished influence of the frequency on life. Additional information on defining effective frequency in creep-fatigue correlations can be found in (11). REFERENCES (1) Thomas, G.B., 1989, ’A code of practice for constant-amplitude low cycle fatigue testing at elevated temperature’, Fatigue, Fract. of Engng. Mater. Struct., 12(2), 135-153.

(2) Hales, R., Holdsworth, S.R., O’Donnell, M.P., Perrin, I.J., & Skelton, R.P., 2002, ’A code of practice for the determination and interpretation of cyclic stress-strain data’, Materials at High Temperatures, 19(4), 165-186.

(3) GRD2-2000-3014, 2005, “Code of practice for strain-controlled thermo-mechanical fatigue testing”, TMF STANDARD Project doc”.

(4) Kandil, F.A. 2003 “Recent inter-comparisons on low cycle fatigue and alignment measurements”, VAMAS Report Number 41, ISSN 1016-2186, National Physical Laboratory

(5) HTMTC, 1995, “A code of practice for the measurement of misalignment induced bending in uniaxially loaded tension-compression testpieces”, EUR 16138 EN (ed. Bressers, J.).

(6) Kandil, F.A., 1998,“Measurement of bending in uniaxial low cycle fatigue testing”, NPL Measurement Good Practice


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Guide No. 1 NPLMMS001 (IBSN 0946754 16 0). (7) Scholz, A.,“Results of a Low Cycle Fatigue Interlaboratory Comparison on 1 CrMoNiV Rotor Steel”, Unpublished report, 2008.

(8) Thomas, G.B. and Varma, R. K., “Review of BCR/VAMAS Low Cycle Fatigue Intercomparison Programme”, Chapter 8, Harmonization of Testing Practice for High Temperature Materials”, M.S. Loveday and T.B. Gibbons editors, Elsevier Applied Science, London, ISBN 1-85166-769-5, 1992, pp 155-185.

(9) Verrilli, M.J., Ellis, J.R., and Swindenman, R.W., “Current Activities in Standardization of High Temperature Low Cycle fatigue Testing Techniques in the United States” Chapter 9, Harmonization of Testing Practice for High Tempearture Materials”, M.S. Loveday and T.B. Gibbons editors, Elsevier Applied Science, London, ISBN 1-85166- 769-5, 1992, pp 187- 209.

(10) Coffin, L.F., 1973, 9Fatigue at High Temperature,9Fatigue at Elevated Temperatures, ASTM STP 520, A.E. Carden, A.J. McEvily, and C.H. Wells, Ed., American Society for Testing and Materials, Philadelphia, pp. 5-34. 32.

(11) Ostergren, W.J., 1976, 9A Damage Function and Associated Failure Equations for Predicting Hold Time and Frequency Effects in Elevated Temperature Low Cycle Fatigue.9 Journal of Testing and Evaluation, 4, 327-339.