Hydrogen effects on mechanical performance of nodular cast iron
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2020-05-18
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
48+4
Series
Abstract
The ferritic nodular cast iron EN 1563 grade EN-GJS-400-15U, intended for use as the material for the load-bearing inserts of canisters for long-term geological disposal of spent nuclear fuel, was studied in order to evaluate its sensitivity to hydrogen-induced effects on mechanical performance. In the KBS-3 method, the internal structural nodular cast iron insert provides the mechanical strength against external loads, whereas the copper shell (50 mm thick) provides a barrier against corrosion. Hydrogen was charged electrochemically in the nodular cast iron from 0.1N H2SO4 solution both in free corrosion and under controlled cathodic potential. Hydrogen uptake and trapping were measured using thermal desorption spectroscopy. It was found that the hydrogen desorption rate after hydrogen charging manifests two distinct peaks located around 400 K and 500 K when using heating rate of 10 K/min. It was also observed that plastic deformation of the specimens during continuous hydrogen charging results in a remarkable increase of hydrogen uptake. Especially the role of the graphite nodules in hydrogen uptake was examined. Slow strain rate tests (SSRT) and constant load tests (CLT) performed under continuous electrochemical hydrogen charging show that hydrogen reduces the elongation to fracture in SSRT and time to fracture in CLT. It was also observed that hydrogen dramatically increases the strain rate of the ductile cast iron in CLT at applied load of about 0.5 tensile strength. The hydrogen-induced cracking appearance in the tensile specimens was characterized with fractography after tensile testing. In the ferrite phase, the fracture mode was cleavage fracture initiating from the interphases of the graphite nodules. The obtained results are discussed in terms of the role of hydrogen and the graphite nodules in mechanical performance of ductile cast iron.Tämä tutkimus käsittelee vedyn vaikutusta EN 1563 luokan EN-GJS-400-15U ferriittisen pallografiittivaluraudan (PGR) mekaanisiin ominaisuuksiin. Tätä materiaalia suunnitellaan käytettäväksi ydinjätteen loppusijoituskapselin sisäosassa. KBS-3-konseptin kapseli koostuu pallografiittivalurautaisesta sisäosasta, jonka tarkoitus on kestää kapseliin kohdistuvat mekaaniset rasitukset, ja 50 mm paksusta kuparisesta kuoresta, joka suojaa kapselia korroosiolta. PGR:n vetylataus tehtiin 0.1N H2SO4 lioksessa ulkoisen katodisen sähkökemiallisen potentiaalin vaikutuksessa sekä vapaassa korroosiossa ilman ulkoista jännitettä. Ve-dyn absorptiotaja loukkuuntumista mitattiin termisellä desorptio spektroskopialla. Kun näytettä lämmitettiin nopeudella 10 K/s, todettiin, että vetylatauksesta seurasi kaksi selvää huippua lämpötiloissa 400 ja 500 K. Todettiin myös, että valurautaanabsorboitui merkittävästi enemmän vetyä, kun näyte samalla deformoitui plastisesti hidasvetonopeuskokeessa. Erityistä huomiota kiinnitettiin grafiittipallojenmerkitykseen vedyn absorptiossa. Näytteille tehtiin vetokokeita vakionopeudella ja vakiovoimalla vetylatauksen alaisena. Todettiin, että vety alentaa murtovenymää vakionopeudella ja nopeuttaa murtumisaikaa vakiovoimalla tehdyissä vetokokeissa. Venymänopeus kasvoi merkittävästi vedyn vaikutuksesta, kun kappaletta kuormitettiin vakiovoimalla, joka oli noin puolet murtolujuudesta. Vetokokeiden jälkeen murtopintoja tutkittiin fraktografian avulla. Ferriittisen matriisifaasin todettiin murtuneen haurasmurtumalla, joka ydintyi grafiittipallojen rajapinnoista. Tuloksia käsitellessä keskitytään siihen, miten vety ja grafiittipallot vaikuttavat pallografiittivaluraudan mekaanisiin ominaisuuksiin.Description
Supervisor
Bossuyt, SvenThesis advisor
Hänninen, HannuYagodzinskyy, Yuriy
Keywords
spent nuclear fuel, copper canister, ductile cast iron, hydrogen embrittlement, hydrogen trapping, hydrogen thermal desorption