Toepassing van breukmechanica op de uitbreiding vermoeiingsscheuren in austenitisch roestvast staal
Beschikbare breukmechanische gegevens voor austenitisch roestvast staal beperken zich hoofdzakelijk tot groei van vermoeiingsscheuren in lucht en in verscheidene andere milieus en bij hoge en cryogene temperaturen. De nadruk zal hier liggen op de type 304 en zijn varianten.
Beschikbare breukmechanische gegevens voor austenitisch roestvast staal beperken zich hoofdzakelijk tot groei van vermoeiingsscheuren in lucht en in verscheidene andere milieus en bij hoge en cryogene temperaturen. De nadruk zal hier liggen op de type 304 en zijn varianten.
Vermoeiingsscheurgroei
Het vermoeiingsproces kan worden onderverdeeld in de volgende stadia:
- Scheurinitiatie: dit stadium omvat de vroege ontwikkeling van vermoeiingsschade die nog kan worden verholpen door middel van een geschikte zachtgloeibehandeling.
- Slip-band scheurgroei: hier diept de aanvankelijke scheur uit op vlakken met hoge afschuifspanning. Dit wordt vaak stadium I scheurgroei genoemd.
- Scheurgroei op vlakken met hoge trekspanning: dit omvat de groei van een goed gedefinieerde scheur in een richting loodrecht op de maximum trekspanning. Dit wordt stadium II scheurgroei genoemd.
- Uiteindelijke taaie breuk: dit treedt op als de scheur voldoende lang is geworden zodat de resterende dwarsdoorsnede de aangelegde belasting niet meer kan dragen. Er is veel onderzoek gedaan naar stadium II scheurgroei. De scheurgroeisnelheid die werd gevonden volgt de volgende vergelijking:
da/dN = Cσam αn
waar C = een constante; σa= wisselende spanning; α= scheurlengte.
De waarden van m variëren tussen 2 en 4 en n varieert van 1 tot 2.
De scheurlengte versus een reeks wisselingen voor een aantal verschillende spanningsniveaus kan worden uitgedrukt door een algemene plot van da/dN als functie van ∆K. Hierbij is da/dN de helling van de scheurgroeicurve voor een gegeven waarde van α en ∆K is het gebied van de spanningsintensiteitsfactor, die wordt gedefinieerd als:
∆K = Kmax - Kmin = σmax(πα)1/2 - σmin(πα)1/2 = σr(πα)1/2
Omdat de spanningsintensiteitsfactor in samendrukking ongedefinieerd is, wordt Kmin nul als σmin een drukspanning is.
Afbeelding 1 toont de relatie tussen vermoeiingsscheurgroeisnelheid en ∆K. Deze curve kan worden verdeeld in drie gebieden. Gebied I wordt begrensd door de drempelwaarde ∆Kdr, waaronder geen waarneembare scheurgroei plaatsvindt. Bij spanningen onder ∆Kdr gedragen de scheuren zich als niet voortlopende scheuren. ∆Kdr treedt op als de scheursnelheden in de orde van grootte van 0,25 nm/wisseling of lager liggen.
Gebied II representeert een nagenoeg lineair verband tussen log(da/dN) en log∆K volgens:
da/dN = A(∆K)p
In dit empirisch verband is p de helling van de curve en A is de waarde die wordt gevonden door de rechte lijn door te trekken tot ∆K = 1 MPa.m1/2. De waarde van p bedraagt bij benadering 3 voor staal en tussen 3 en 4 voor gelegeerd aluminium.
Gebied III is een gebied met versnelde scheurgroei. Hier benadert Kmax de waarde Kc de breuksterkte van het materiaal.
Typen 304 en 304L
Er zijn gegevens verzameld over de groeisnelheid van vermoeiingsscheuren in 304 en 304L om de invloed na te gaan van tal van variabelen die van invloed zijn tijdens gebruik van deze staaltypen. De typen 304 en 304L worden in het algemeen gebruikt in de zachtgegloeide toestand, maar voor verbeterde sterkte kunnen ze ook worden gebruikt in de warmbewerkte of koudbewerkte toestand (koudgetrokken of koudgewalst). Ze worden intensief gebruikt voor de bouw van kerncentrales en hierbij worden ze blootgesteld aan hoge temperaturen en statische belasting in combinatie met cyclische spanningen met een groot frequentiebereik en belastingsverhoudingen terwijl er ook nog eens sprake is van corrosieve milieus. De invloed van al deze factoren zijn geëvalueerd en vastgelegd in een aantal vermoeiingstestprogramma’s.
Afbeelding 2 laat zien dat verhoging van de expositietemperatuur tot 650°C de groeisnelheid van vermoeiingsscheuren bij elke gegeven spanningsintensiteitsfactor, ∆K. Deze gegevens gelden voor zowel langs-dwars als dwars-langs oriëntaties, voor verscheidene verschillende maximum wisselende belastingen, voor belastingsverhoudingen (R) van 0 tot 0,05 en voor cyclische frequenties van 0,033 tot 6,66 Hz voor de tests bij kamertemperatuur en 0,067 Hz voor de tests bij verhoogde temperatuur.
Op afbeelding 3 is te zien dat de groeisnelheid van scheuren in zachtgegloeide 304 proefmonsters bij verhoogde temperatuur afneemt met stijgende cyclusfrequentie, bij tests bij 538°C en bij R = 0,05. De bij deze tests gebruikte cyclus is zaagtandvormig.
Afbeelding 1. Schematische weergave van vermoeiingsscheurgroei in een niet-agressief milieu.
Afbeelding 2. Effect van testtemperatuur op de vermoeiingsscheurgroeisnelheid van zachtgegloeid 304 in lucht bij 0,066 Hz en een belastingsverhouding van 0 tot 0,05.
Afbeelding 3. Effect van variatie in wisselingsfrequentie op de vermoeiingsscheurgroeisnelheid van zachtgegloeid 304 bij 538°C bij een belastingsverhouding van 0 tot 0,05 in lucht met een zaagtandgolfvorm.
Verandering van de zaagtandvorm in een vorm met een korte verblijfperiode op de maximale belasting had geen invloed op de groeisnelheden van de vermoeiingsscheuren.
Bij 427°C is de groeisnelheid van de vermoeiingsscheuren aanzienlijk groter voor monsters die zijn getest zonder verblijftijd (continue cyclus) dan voor monsters die gedurende 0,1 of 1,0 minuut per cyclus op de maximum belasting zijn gehouden. De laagste groeisnelheden deden zich voor bij monsters met de langste verblijftijd. Dezelfde trend werd waargenomen bij tests bij 593°C, zoals is te zien op afbeelding 4. Daarom heeft cyclische belasting een schadelijker effect dan statische belasting op de scheurgroei per eenheid van tijd (da/dt).
Voor sommige toepassingen worden 304 onderdelen gefabriceerd in de koudbewerkte toestand voor verbeterde sterkte eigenschapen. Een vergelijking van gegevens voor de groeisnelheid van vermoeiingsscheuren, zoals is te zien op afbeelding 5, toont dat de hoog-∆K scheurgroeisnelheden van de koudbewerkte monsters lager waren dan die van de overeenkomstige monsters die bij kamertemperatuur zijn beproefd.
Afbeelding 4. Vermoeiingsscheurgroeisnelheid per tijdseenheid (da/dt) voor zachtgegloeid 304 bij continue belastingswisselingen met verblijftijden van 0,1 en 1,0 minuut op de maximum belasting bij elke wisseling bij 593°C en R = 0.
Afbeelding 5. Vermoeiingsscheurgroeisnelheid voor zachtgegloeid en koudbewerkt 304 bij 25 en 427°C, 0,17 Hz en R = 0.
Omdat de verwachte gebruikstijd van de meeste onderdelen die zijn gemaakt van austenitisch roestvast staal een aantal jaren bedraagt, is een evaluatie van het effect van langdurige veroudering bij de gebruikstemperatuur van belang. Afbeelding 6 toont resultaten die zijn verkregen met monsters die zijn getest in de niet-verouderde en in verouderde (5000 uur bij 593°C) toestand. Na veroudering gedurende 5000 uur op deze hoge temperatuur, is de uitscheiding van M23C6 carbiden nagenoeg volledig. Deze resultaten duiden erop dat er bij 593°C geen schadelijke effecten optreden met betrekking tot de scheurgroeisnelheid van monsters die zijn onderworpen aan continue belastingswisselingen. Als elke wisseling een verblijftijd bevat van 0,1 of 1,0 minuut, dan doet zich een lichte toename voor in de groeisnelheid van vermoeiingsscheuren bij een gegeven ∆K niveau.
De invloed van vochtige lucht op de scheurgroeisnelheid bij kamertemperatuur van 304 monsters die zijn zachtgegloeid is te zien op afbeelding 7, bij een cyclus van 0,17 Hz met R = 0. Aan de lage kant van het ∆K bereik, is de groeisnelheid in vochtige lucht aanzienlijk hoger dan die in droge lucht. De groeisnelheden van vermoeiingsscheuren in 304 dat was getest in water onder druk en met temperaturen lopend van 260° tot 315°C en met R = 0,2 en 0,7 waren niet hoger dan die in lucht met dezelfde temperatuur en met R < 0,1. Variaties in R waren echter wel van invloed in laatstgenoemd milieu.
Afbeelding 6. Effect van veroudering bij 593°C gedurende 5000 uur en verblijftijden van 0,1 en 1,0 minuut per wisseling, op de vermoeiingsscheurgroeisnelheid van langs-dwars georiënteerde monsters 304 in lucht bij 0,17 Hz en R = 0.
Afbeelding 7. Effect van de vochtigheid op de vermoeiingsscheurgroeisnelheid van 304 getest bij kamertemperatuur, 0,17 Hz en R = 0.