Applicability of miniature-sized test specimens for determining fracture toughness and mechanical properties

Abstract

As the operating life of nuclear power plants is extended, having enough reference material for the irradiation monitoring program becomes a challenge. Reference material, which experiences the same conditions as the reactor pressure vessel, is used to monitor the state of the structural integrity of the reactor pressure vessel. Irradiation degrades the original mechanical properties of the material, i.e. irradiation embrittlement occurs. Irradiation embrittlement is one of the most important issues to monitor in terms of structural integrity. To this end, the reference material is subjected to destructive experiments at regular intervals and thus, enough reference material must be guaranteed. An alternative to this is the reduction and reuse of test specimens.

In this dissertation, the applicability of a miniature compact tension (C(T)) test specimen for determining the fracture toughness and mechanical properties of the material was investigated. The main emphasis was on mechanical experiments, supported by finite element (FE) modeling and microstructure characterization. The proportional dimensional and geometric tolerances set by fracture mechanical standards pose a challenge as the specimen size decreases. The location of the pin holes used for attaching the test specimen was varied, and the significance of the side groove that controls crack growth was examined. The effect and differences between the two different attachment points of the crack opening displacement gauge were examined. Three welding materials were studied: the weld of the reactor pressure vessel head and the welds of the core region in two different orientations, both axial and circumferential. The weld material had been obtained from a decommissioned nuclear power plant, and the material was processed using a hot cell environment. The further reduction of the size of the test specimen was investigated by manufacturing a new 3 mm thick test specimen in addition to the widely used 4 mm thick test specimens. Brittle fracture tests were carried out on both sizes. In addition, four different test specimen thicknesses were compared by means of FE modeling and the characterization of the microstructure included a particle analysis, the purpose of which was to determine the number and distribution of particles in the matrix. An adequate number of potential crack nucleating particles is an essential aspect of the weakest link theory, which underpins the Master Curve method used to determine the reference temperature. All miniature C(T) test specimens in the dissertation were made from the halves of larger tested specimens, either Charpy-V notch or C(T) specimens.

The results showed that a miniature C(T) test specimen is applicable for determining material properties by means of fracture mechanics, specifically for determining the reference temperature T0 through brittle fracture tests. Despite the variation in dimensional tolerances, the reference temperature could be reliably determined and the significance of the side grooves in brittle fracture tests proved to be negligible. The locality, made possible by the small size of the test specimen, was very useful when examining the weld material and the manufacture of the test specimen and the experiments were successfully conducted in the hot cell laboratory. The experiments were also successful with smaller 3 mm thick test specimens, and the FE modelling comparison revealed that the stress-strain fields for the 3 mm and 4 mm thicknesses were nearly identical, showing only minimal differences. Enough particles were found in the matrix, and it is reasonable to assume that the crack-nucleating particle, i.e. the weakest link, was found. The most significant advantage of using 3 mm thick test specimens is that they allow manufacturing of 50% more from a single 10×10×55 mm3 impact specimen than 4 mm thick test specimens.

Ydinvoimalaitosten käyttöiän pidentyessä säteilyseurantaohjelman riittävän käyttöolosuhteissa kumuloituvan referenssimateriaalin hankkiminen on haasteellista. Referenssimateriaalin, joka kokee samat olosuhteet kuin reaktoripainesäiliö, avulla seurataan reaktoripainesäiliön käytönaikaisen rakenteellisen eheyden tilaa. Säteily heikentää materiaalin alkuperäisiä mekaanisia ominaisuuksia jolloin muun muassa tapahtuu säteilyhaurastumista. Tämä säteilyhaurastuminen on rakenteellisen eheyden kannalta yksi tärkeimmistä seurattavista asioista. Tätä varten referenssimateriaalista tehdään ainetta rikkovia kokeita säännöllisin väliajoin ja sen takia riittävä määrä referenssimateriaalia tulee olla taattu. Tähän tarjoaa vaihtoehdon koesauvojen kokojen pienentäminen ja niiden uudelleenkäyttö.

Tässä väitöskirjassa tutkitaan miniatyyristen compact tension (C(T)) koesauvojen käytettävyyttä teräksisen materiaalin murtumissitkeyden ja mekaanisten ominaisuuksien määrittämiseen. Pääpaino on mekaanisissa kokeissa ja siinä tukevina menetelminä käytettiin sekä finite element (FE) mallinnusta, että mikrorakenteen karakterisointia. Murtumismekaanisten standardien asettamat suhteelliset dimensionaaliset ja geometriset toleranssit asettavat haasteita sauvakokojen pienentyessä. Koesauvan kiinnitykseen käytettävien tapinreikien paikkaa varioitiin ja särönkasvua ohjaavan sivu-uran merkitystä tarkastellaan. Samoin särön avaumaa mittaavan anturin kiinnityskohdan kahden eri kiinnityspaikan vaikutusta ja eroja tarkastellaan. Tutkimuskohteena on niin ikään kolme hitsimateriaalia: ydinvoimalan reaktoripainesäiliön kannen hitsi ja sydänalueen hitsi kahdessa eri orientaatiossa; sekä aksiaalisuuntainen että kehän suuntainen hitsi. Hitsimateriaali oli käytöstä poistetusta ydinvoimalasta saatu ja materiaalia käsiteltiin hyödyntäen kuumakammioympäristöä laboratoriossa. Koesauvakoon edelleen pienentämistä tutkittiin valmistamalla laajasti käytössä olevan 4 mm seinämältään paksun koesauvan rinnalle uusi 3 mm paksu koesauva. Kummallakin sauvakoolla tehtiin haurasmurtumakokeita. Lisäksi vertailtiin neljää eri koesauvan paksuutta FE mallinnuksen keinoin ja mikrorakenteen karakterisointi sisältää partikkelianalyysin, jonka tarkoituksena on määrittää partikkeleiden määrä ja jakauma matriisissa. Riittävä määrä potentiaalisia särön ydintäviä partikkeleita on olennainen osa heikoimman linkin teoriaa, johon referenssilämpötilan määrittämiseen käytettävä Master Curve-menetelmä perustuu. Kaikki väitöskirjatutkimusten miniatyyrikokoiset C(T) koesauvat valmistettiin testatun isompikokoisten koesauvojen puolikkaista, joko Charpy-V tai C(T) sauva.

Saavutetut tulokset osoittavat, että miniatyyrikokoinen C(T) koesauva on käyttökelpoinen materiaaliominaisuuksien määrittämiseen murtumismekaniikan keinoin, nimenomaan määritettäessä referenssilämpötilaa T0 haurasmurtumakokeiden kautta. Dimensionaalisten toleranssien varioinnista huolimatta referenssilämpötila pystyttiin määrittelemään luotettavasti ja koesauvan sivu-urien rooli haurasmurtumakokeissa osoittautui merkityksettömäksi. Koesauvan pienen koon mahdollistama paikallisuus on erittäin hyödyllinen tutkittaessa hitsimateriaalia ja koesauvan valmistus sekä kokeet onnistuivat menestyksekkäästi kuumakammiolaboratoriossa. Kokeet onnistuivat myös ohuemmilla, 3 mm paksuilla koesauvoilla, ja FE-mallinnuksen vertailu osoitti, että 3 mm ja 4 mm paksuuksien jännitys-venymäkentät olivat lähes identtiset, ja niiden välillä havaittiin vain vähäisiä eroja. Matriisista löydettiin partikkeleita riittävästi ja onkin perusteltua olettaa, että ydintävä partikkeli eli heikoin lenkki löytyy. Merkittävin hyöty 3 mm paksusta koesauvasta on, että niitä on mahdollista valmistaa 50 % enemmän yhdestä 10×10×55 mm3 iskusauvasta kuin 4 mm paksuja koesauvoja.