- MF-248. Töjningsutmattning och krypning i Zircaloy-2 MF 248. K Pettersson

Transkript

1 Af- MF 248 Töjningsutmattning ch krypning i Zircaly-2 K Petterssn Öff *!»»ch ne - MF-248 i UH4n<U«till Cf Fl CM CMB CMF CMK CML MF ML KTH AA 1 «x 2 M Öster lundh Hindbeck stberg Htfbner Djurle Ane vi Bergenlid Ber gq vi st Brberg Brunberg Gtt Lindhagen Ra (11 ex) Wiberg Winqvist LyseU Lagnebrg Hannerz Hlland Junkrant Sammanfattning Prvstavar uttagna i tvärriktningen av kap s ling sr ör av Zircaly-2 har töjningsutmattats vid 25, 250, 300, 350 ch 400 C. Materialet följer Cffin-Mansn» s ekvatin med r«0.5. = C Redan vid relativt små axiella påkänningar under böjutmattningen erhålls kraftig ratchetting. Vid ratchetting defrmatinen visar materialet avsevärt mycket större areareduktin före brtt än vid enaxlig dragning. På grund av ratchettingfenmenet har vickmaskinen mknstruerats så att kryplasten avlasta* under vick* cyklerna. Ett försök med krypning i kmbinatin med töjningsutmattning har visat att det finns en start interaktin mellan dessa fenmen i Zircaly-2.!i»tt Ar «n (utm rapprt,» IHS 521.

2 AE-MF Inledning KJ Töjningsutmattning i kapslingftrör av Zircaly kan inträffa vid effekt - cykling sm en följd av valise ring ch kllaps under inverkan av tryckskillnaden mellan ut- ch insida. Utmattning spå känningar kan ckså uppstå i längsled då kapslingen följer med kutsarnas utvidgning i axiell led. C vanpå utmattning spåkänningen tillkmmer ckså en krypspänning på grund av kylmedelstrycket. Det är väl känt (1) att en kryplast i vissa fall kraftigt nedsätter livslängden hs en kmpnent utsatt för töjning sutmattning. J.2 En sammanställning av Zircalyens töjningsutmattning se genskaper finns hs D B Sctt (2) ch i Zircnium Data Manual (3). Utöver detta finns ett arbete av 'Dnnel ch Langer (4). Dessa undersökningar avser huvudsakligen prvstavar av sådan typ sm kan prvas i enaxlig dragning ch tryckning ch antalet cykler till brtt är dessutm krrelerat till spänningsamplituden, vilket inte överensstämmer med mdernt betraktelsesätt för töjningsutmattning. Det fanns således behv av mer töjningsutmattningsdata för Zircaly bland annat för att se m det så kallade Cffin-Mansnsambandet gäller. N 0) Föreliggande undersökning avsåg att studera töjningsutmattning hs kaps lings rör ay Zircaly -2. Eftersm valiseringen ger upphv till böjspänningar ansågs det lämpligt att studera böjutmattning hs strimlr sm tagits ut ur ett kapslingsrör. Det trde för övrigt vara praktiskt genmförbart att studera t öjning iutmattning på så tunt material genm dragning ch tryckning. Vidare skulle inverkan av krypning på t öjning»utmattning studeras (5).

3 - 2 - AE-MF Experimentella detaljer Materialet i undersökningen var sömlösa, valsade, rekristallisatinsglödgade kapslingsrör i SANDVIK ZIRCALY -2 levererade från ASEA-ATM. Dimensinerna var Y. D x I.D x vägg min 0.76 x längd 3830 mm. Analysen låg inm specifikatinerna för Zircaly-2. Syrehalten var ca 1250 ppm. Krnstrleken angavs av SJAB till 8.8 i*m medan vår egen undersökning med linjär interceptmetd gav 6 ± 0.5 pm. Texturundersökning med invers plfigurmetd enligt MF:s standardförfarande (6) visade att texturen hade följande huvuddrag; i huvudsak radie Ila baspler, inga tangentiella baspler, (11Z0)-riktningen tangentie 11. Prvstavarna tillverkades så att deras längdriktning sammanföll med rörens tangentiella riktning, detta för att på bästa sätt simulera verkliga förhållanden. Rören måste alltså plattas ut innan prvstavs - tillverkningen. För att få tillräckligt tunna prvstavar passande till utmattningsmaskinen måste dck rören svarvas ner till en tjcklek av ca 0.25 mm. Någn ytterligare ytbehandling efter denna nedsvarvning gjrdes inte. I fig 1 visas en bild av den svarvade ytan före ett töjningsutmattningsprv. Alla prver kördes i luftatmsfär bland annat därför att man även under reaktrdriftförhållanden har en xiderande mgivning. I fig 2 visas den prvstav sm använts vid undersökningen ch i fig 3 visas en bild på den centrala delen av maskinen för töjningsutmattning, När axeln B med backarna A vrids fram ch tillbaka kmmer prvstaven C att i ytter fibern utsättas för en töjningsamplitud Ac s In 2R+ 2t ZR + t (2) där R är backarnas radie ch t är prvstavstjckleken. För att få gd anliggning mt backarna måtte staven belastas med en kraft P. Inverkan av denna kraft på symmetrin hs töjningscykeln försummas frtsättningsvis, utm i diskussinen m ratchetting. Vid tidigare undersökningar med vickmaskinen har man varierat vridningsvinkeln hs axeln B vid lika backradier så att prvstavens

4 - 3 - AE-MF-248 anliggningsyta har varit knstant. Någn närmare mtivering för detta förfaringssätt har inte angivits (7). Enligt en undersökning av böjning av rektangulära stålstavar måste man böja över en vinkel av minst 45 för att uppnå den av bckningaradien givna töjningen (8). Av denna rsak har i denna undersökning vinkeln 45 använts för bckningsra dier na 4 mm ch 8 mm. Backarna med 16 mm:s bckningsradie tillåter bara 30 :s vinkelutslag vilket därför har använts. Vid den tidigare undersökningen av krypning ch töjningsutmattning i rstfritt stål (1) lät man kryplasten ligga på även under böjcyklerna. Vid liknande försök i denna undersökning erhölls en kraftig förlängning av prvstavarna i den del, sm var utaatt för böjning. rsaken till detta är att lasten P intrducerar en assymetri i spänningsfördelningen över prvstavstvärsnittet så att en resulterande förlängning erhålls i varje böjcykel. Detta ftr analgt med så kallad termisk rater hett ing sm uppstår då en axiellt belastad prvstav har lika temperaturer på två mtsatta långsidr. När temperaturskillnaden reverseras fås en töjningscykel sm är analg med den sm uppstår vid böjning i vickxnaskinen. Villkren för att erhålla resulterande förlängning» ratchetting, vid termisk cykling har med vissa förenklande antaganden först analyserats av Miller (9) ch senare för kapslingsrör av Bree (10). Denna analys visar att m P görs tillräckligt liten fås ingen ratchetting. För radien 4 mm ch höga temperaturer strider detta mt kravet på att P ska vara tillräckligt str för att gd anliggning mt backarna ska erhållas. Sålunda har för denna bckningsradie en mindre ratchettingdefrmatin erhållits vid alla temperaturer utm 25, men resultaten tyder på att denna inte väsentligt har ändrat antalet cykler till brtt. Vid krypbelastningar blev förlängningen så str att den inte kunde tillåtas. Av denna rsak byggdes vickmaskinen m så att större delen av kryplasten P kan avlastas under böjning ch bara en mindre last tillräckligt str för att ge prvstaven gd anliggning mt backarna kvarstår. En intressant mständighet sm ska bli föremål för vidare undersökning är att prvstavarna vid ratchettingdefrmatin visade väsentligt större areareduktin före brtt än vid enaxlig dragning.

5 - 4 - AE-MF Re sultat f Töjningsutmattningsförsök utfördes vid 25, * 350 ch 400 C. Vid de tre lägsta temperaturerna var drag spänningen 3 kp/mm ch vid de två högsta 2 kp/mm. Detta för att undvika alltför kraftig ratchetting vid de båda högre temperaturerna. Sänkningen av dragspänningen kmpenseras med avseende på anliggning mt backarna åtminstne delvis av elasticitetsmdulens temperaturberende. För varje prvstav mättes bredd ch tjcklek, vilket är förklaringen till att man vid samma bcknings radie haft-någt lika töjningsamplituder. säkerheten i tjckleksvärdena är ca 2%. I fig 4-8 finns lg &e uträknat enligt ekvatin (2) uppsatt sm funktin av lg N f för respektive 25, 250, 300, 350 ch 400 C. De räta linjerna har erhållits med minsta kvadratmetden enligt mdellen lg Ae + ar lg N- = lg C (3) Följande värden på a erhölls; temp (C) r C) Fig 9 visar medelvärdet av N- för varje bckningsradie sm funktin av temperaturen. (Kurvrnas uppgift i figuren är bara att binda ihp samhörande punkter.) Expnenten a i Cffin-Mansn 1 s lag ska enligt terin vara 0.5 ch C ska vara lika med halva dukti lite ten c. vid ett enaxligt dragprv (1). Av resultaten framgår att utm vid 250 erhålls gda värden på a. Detta är intressant med tanke på att Cffin-Mansn 1 s lag egentligen är tillämpbar bara för plastisk utmattning av typ dragning - tryckning ch med den plastiska töjningsamplituden insatt för Ae. För bckningsradien 16 mm gäller exempelvis att det elastiska bidraget till töjningen i ytterfibern vid 25 är lika med halva ttaltöjningen ch vid de högre temperaturerna ungefär en tredjedel av ttaltöjningen.

6 - 5 - AE -MF-248 Någn studie av sambandet mellan C ch c. har inte gjrts eftersm man dels måste ta fram C-värden sm erhålls ur en tvångsanpassning av data till Cffin-Mansn-sambandet med a = 0.5, ch dels därför att befintliga värden på c. är pålitliga på grund av att de berr av töjningshastigheten genm dynamisk defrmatinsåldring (11). f Avvikelsen i r vid 250 C kan eventuellt ckså vara en effekt av dynamisk defrmatinsåldring. Ytterligare försök krävs dck för att säkert fastställa detta. Sm framgår av fig 9 ch även fig 6-8 överensstämmer resultaten från 300, 350 ch 400 C i strt sett med varandra. Det vre därför av intresse att göra töjningsutmattningsförsök även vid högre temperatur för att se m antalet cykler till brtt ökar eller minskar med Ökande temperatur. Föreliggande data visar ingen klar tendens i detta avseende. Inga försök att fastställa utmattningshållfasthetens berende av ytbeskaffenheten har gjrts. Det ligger nära till hands att tr att särskilt den svarvade ytan har inverkat på resultatet. Detta illustreras av fig 10 ch 11. Fig 10 visar ytan av en utmattad prvstav i 17 x förstring ch man ser att den har ett strt antal ytsprickr. I 420 x förstring (fig 11) förefaller det sm m det finns ett samband mellan strukturen i sprickan ch svarvreprna på'ytan. Sambandet är dck långtifrån klart fastställt. 4. Krypning i samband med töjningsutmattning 4.J I det tidigare refererade arbetet m samband mellan krypning ch töjningsutmattning i rstfritt stål (1) anpassades resultaten till en de Is ka de lag innehållande en term för interaktinen mellan kryp* skada ch utmattnings skada. Vid krypförsök med Zircaly-2 vid 300 C har det hittills inte setts några tendenser till inter kr i sta Hint krypbrtt utan brtten tycks kmma sedan plastisk instabilitet på grund av töjningen uppstår. Icke dest mindre är det intressant att knstatera att m man intrducerar hållperider med krypspänning mellan böjcyklerna (rakt prv) minskar antalet cykler till brtt kraftigt. Ett försök med R = 8 vid 300 C ch en krypspänning av

7 I -6 - AE-MF-248 av 15 kp/mm ch hålltid av ca 3 min mellan cyklerna gav N. = 400 jämfört med N. = 830 vid mtsvarande prv utan krypspänning. I båda 2 fallen var den axiella påkänningen under böjningen 3 kp/mm. Vad gäller krypegenrfkaperna hs denna Zircaly-2 kan nämnas att ett prv vid 300 C med <* = 18 kp/mm under 1500 h har krypt ca 1%. rsaken till denna livslängdsminskning under krypförhållanden bör rimligtvis vara att sprickr initierade genm böjning växer genm inverkan av krypspänningen ch spänningskncentratinen vid sprickspetsarna. Fig 12 visar i 720 x förstring ytstrukturen på den prvade staven. Denna struktur skiljer sig avsevärt från strukturen i fig 11. Skillnaden trde åtminstne delvis vara rsakad av att krypprvstaven fått en viss areareduktin innan brtt.

8 - 7 - AE-MF-248 Referenser 1. R LAGNEBRG ch R ATTERM, The effect f cmbined lw-cycle fatigue and creep n the life f austenitic stainless steels. Metallurgical Transactins, 2jl971):7, D B SCTT, Physical and mechanical prperties f Zircaly-2 and 4. Westinghuse Electric Crpratin, WCAP , May B J SEDDN, Zircnium data manual. Prperties f interest in»eactr design. United Kingdm Atmic Energy Authrity, TRG Reprt 108(R) Nvember amendment sheets Sept W J ' DNNEL ch B F LANGER, Fatigue design basis fr Zircaly cmpnents. Nuclear Science and Engineering, 2 (1 964): 1, R ATTERM, R LAGNEBRG ch G ÖSTBERG, Prgram för undersökning av töjningsutmattning ch kryp i Zircaly-2. AB Atmenergi, TPM-MF-117, R ATTERM, Textur under sökning av fyra titanplåtar från SAAB. AB Atmenergi, AE-MF-144, M GRUNES ch V ERIKSSN, Prgram för studier av töjningsutmattning under bestrålning i au s te nitiska stål medelst vickrigg. AB Atmenergi, TPM-RMK-828, G S SANGDAHL, Jr, E L AUL ch G SACHS, An investigatin f the stress and strain states curring in bending rectangular bars. Prceedings f the Sciety fr Experimental Stress Analysis, 6 (1948):1, D R MILLER, Thermal-stress ratchet mechanisms in pressure vessels Trans ASME, 81D (T959): J BREE, Ratchet and fatigue mechanisms in staled fuel pins fr nuclear reactrs. United Kingdm Atmic Energy Authrity, TRG Reprt 1214 (D), March K PETTERSSN, Krypning ch relaxatin i Zircaly-2. AB Atmenergi, AE-MF-247,

9 - 8 - AE-MF-248 Figurer Fig 1. Den svarvade prvstavsytan före prvning. Förstring lx. Fig 2. Ritning på prvstaven. Skala 2:1. Fig 3. Prvstavsinfästning på vickmaskinen. Fig 4. Cffin-Mansn-kurvan för 25 C. Fig 5. Fig 6. Fig 7. Cffin-Mansn-kur va för 250 C. Cffin-Mansn-kurva för 300 C. Cffin-Mansn-kurva för 350 C. Fig 8. Cffin-Mansn-kurva för 400 C Fig 9. Fig 10. Fig 11. Fig 12. Medelvärdet av N- för varje bckningsradie sm funktin av temperaturen. Prvstav efter utmattningsbrtt, 350 C, R = 8 mm, N f = 915. Förstring 17x. Ytan på prvstav efter töjningsutmattning. 350 C, R = 8 mm, N = 915. Förstring 420x. Ytan på prvstav efter kmbinerad töjningsutmattning ch krypning. 300 C, R = 8, cp = 15 kp/mm, paustid ca 3 min, N = 400. Förstring 72x.

10 Fig 1. Den svarvade prvstavsytan före prvning. Förstring lx. C Fig 2. Ritning på prvstaven. Skala 2:1

11 f Fig 3. Prvstavsinfästning på vickmaskinen.

12 LL r in ni. c (0 c ni 2 Gfl if) LU <

13 in c i -c CM u :0 i I c (0 c CTJ 2 ur» 00 (JU <

14 c c c. c 8 P u VM ei x i c I c *M 00 in "

15 C 00 : c. 5 c m a U in " IU

16 u_ r 8 u C. c x i c Q9 I C U u 00 D _i L t_ L

17 10000 R= R= Fig Medelvärdet av N^ för varje bckningsradie sm funktin av temperaturen. 400 Temp C

18 Fig 10. Prvstav efter utmattnings brtt. 350 Q, R = 8 mm, N. = 915. Förstring 1 7x. f Fig 11. Ytan på prvstav efter töjninggutmattning. 350 C, R : 8 N = 915. Förstring 420x. mm i

19 r r r k c Fig 1 2. Ytan på prvstav efter kmbinerad töjningsutmattning ch krypning. 300 C, R = 8, =15 kp/mm, paustid ca 3 min, N = 400. Förstring 720x.