aalto1 untyped-item.component.html
Brittle fracture in weld microstructures
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
G5 Artikkeliväitöskirja
| Defence date: 2025-11-14
Electronic archive copy is available via Aalto Thesis Database.
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
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
75 + app. 59
Series
Aalto University publication series Doctoral Theses, 220/2025
Abstract
This dissertation investigates the phenomenon of brittle fracture in weld microstructures, with focus on nuclear safety and material ageing during extended long-term operation (ELTO) of nuclear power plants (NPPs). The research emphasizes the role of understanding the microstructural features of welds to ensure the integrity and safety of nuclear reactor components as they age. The study highlights the significant effects of thermal ageing and neutron irradiation on the mechanical properties of low-alloy steel (LAS), in terms of maintaining safe operational margins in NPPs. The primary focus is on two critical weld components in a nuclear reactor: the welds in the reactor pressure vessel (RPV), as well as dissimilar metal welds (DMWs) in the pressurizer surge nozzle safe-end. The study on RPV welds is conducted on harvested material from a decommissioned boiling water reactor (BWR) NPP combined with representative high-dose surveillance material. The studied DMW is a representative mock-up of a repair weld used in a pressurized water reactor (PWR) with double-sided Alloy 52 buttering weld joining LAS pressure vessel and stainless steel piping. The brittle fracture initiation and crack propagation are investigated from a microstructural perspective. The methodology includes a comprehensive multiscale analysis of microstructural features through various characterization techniques, such as scanning electron microscopy and transmission electron microscopy, along with hardness and mechanical testing to evaluate the strength and toughness properties of the welds.
Key findings indicate that the microstructural characteristics of welds significantly influence their mechanical properties and susceptibility to brittle fracture. Two main types of second-phase particles are identified to initiate a cleavage fracture in a LAS weld: non-metallic oxide inclusions and carbides. The type of fracture initiator varies between the welds and is dependent on the specimen type, yet no conclusion can be made if the thermal ageing and/or irradiation affect the cleavage fracture initiation, as the mechanical testing shows near negligible operation-induced embrittlement in the RPV welds and auspicious material properties for LTO. In DMWs, three main types of fusion boundary microstructures were found along the LAS-Alloy 52 interface: sharp fusion boundary, martensitic phase, and partially melted zone. The microstructures correlate with varying levels of dilution and local strength mismatch, significantly affecting the crack propagation path. The strength mismatch and carbide evolution are influenced by welding parameters, post-weld heat treatment, and LTO temperature.
The dissertation highlights that understanding of the metallurgical features and microstructural evolution of welds can lead to improved assessment of material performance and safety during ELTO. Current ageing management predictions are conservative, but to safely extend the operating lifetime, small details in embrittlement trend curves can increase the valuable time of safe operation. When performing testing of the weld metal, especially with a notched or pre-cracked sample, the location of the crack tip and the process zone must be known in terms of the local weld microstructure as it determines the local fracturing resistance.
Tämä väitöskirja tutkii haurasmurtumailmiötä hitsausliitoksen mikrorakenteissa, keskittyen ydinturvallisuuteen ja ydinvoimalaitosten jatketun pitkäaikaiskäytön aikaisiin materiaalin vanhenemisilmiöihin. Tutkimus korostaa hitsien mikrorakenteellisten ominaisuuksien ymmärtämisen merkitystä ydinreaktorikomponenttien eheyden ja turvallisuuden varmistamiseksi niiden ikääntyessä. Tutkimuksessa tuodaan esiin lämpövanhenemisen ja neutronisäteilyn merkittävät vaikutukset niukkaseosteisen teräksen mekaanisiin ominaisuuksiin ydinvoimalaitoksen turvallisen käytön takaamiseksi.
Pääpaino on kahdessa kriittisessä hitsausliitoksessa ydinreaktorissa: reaktoripaineastian hitsausliitoksissa sekä paineistimen painesyöksysuuttimen eripariliitoksessa. Paineastiahitsien materiaali on kerätty käytöstä poistetusta kiehutusvesireaktorista sekä sen seurantaohjelman korkean säteilyannoksen näytteistä. Tutkittu eripariliitos on edustava korjaushitsauksen mallikappale painevesireaktorista, jossa kaksipuolinen Alloy 52 -päittäishitsi yhdistää niukkaseosteisen paineastiateräksen ja ruostumattoman teräsputkiston. Hauraan murtuman alkamista ja halkeaman etenemistä tutkitaan mikrorakenteellisesta näkökulmasta. Menetelmä sisältää kattavan monitasoisen mikrorakenteiden analyysin eri karakterisointitekniikoilla kuten pyyhkäisyelektronimikroskopialla ja läpivalaisuelektronimikroskopialla, sekä kovuusmittauksilla ja mekaanisilla testeillä arvioidaan hitsausliitosten lujuus- ja sitkeysominaisuuksia.
Keskeiset havainnot osoittavat, että hitsien mikrorakenteelliset ominaisuudet vaikuttavat merkittävästi niiden mekaanisiin ominaisuuksiin ja alttiuteen hauraalle murtumiselle. Kaksi partikkelityyppiä tunnistettiin lohkomurtuman ydintäjiksi niukkaseosteisen teräksen hitseissä: eimetalliset oksidisulkeumat ja karbidit. Murtuman ydintäjäpartikkeli ilmenemä vaihtelee testatun materiaalin ja testausmenetelmän mukaan, mutta ei voida tehdä lopullista johtopäätöstä siitä, vaikuttavatko lämpövanheneminen ja/tai säteily lohkomurtuman ydintäjäpartikkeliin, sillä mekaaniset testit osoittavat lähes olemattoman käytönaikaisen haurastumisen paineastiahitseissä. Eripariliitoksessa havaittiin kolme päätyyppiä sularajan mikrorakenteita paineastiateräksen ja Alloy 52 -hitsin rajapinnalla: terävä sularaja, temperoitu martensiittinen sularaja, ja osittain sulanut vyöhyke. Rajapinnan mikrorakenteet korreloivat materiaalien seostumisen ja paikallisen lujuuseron vaihteluiden kanssa, mikä vaikuttaa merkittävästi halkeaman etenemispolkuun. Lujuuseroon ja karbidien evoluutioon vaikuttaa merkittävästi hitsausparametrit, lämpökäsittely ja pitkäaikaiskäytön lämpötila.
Väitöskirja korostaa, miten hitsien metallurgisten ominaisuuksien ja mikrorakenteellisen kehityksen ymmärtäminen parantaa materiaalin suorituskyvyn ja turvallisuuden arviointia ydinvoimalaitoksen eliniänpidennyksessä. Nykyiset vanhenemisen hallintamallit ovat konservatiivisia, mutta käyttöiän turvalliseen pidentämiseen pienet yksityiskodat haurasmurtumakäyttäytymisessä voivat lisätä turvallista käyttöikää. Hitsausliitosten rikkovassa testauksessa näytteen alkusärön tai loven sijainti paikallisessa mikrorakenteessa on tiedostettava, koska yksityiskohdat rakenteessa määräävät paikallisen murtumislujuuden.
Description
Supervising professor
Virkkunen, Iikka, Prof. (Adjunct), Aalto University, Department of Energy and Mechanical Engineering, FinlandThesis advisor
Que, Zaiqing, Dr., VTT Technical Research Centre of Finland, FinlandOther note
Parts
- [Publication 1]: Hytönen, Noora; Que, Zaiqing; Arffman, Pentti; Lydman, Jari; Nevasmaa, Pekka; Ehrnstén, Ulla; Efsing, Pål. 2021. Effect of weld microstructure on brittle fracture initiation in the thermally-aged boiling water reactor pressure vessel head weld metal. Springer Link. International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, volume 28, pages 867-876.
DOI: 10.1007/s12613-020-2226-6 View at publisher
- [Publication 2]: Hytönen, Noora; Lindqvist, Sebastian; Lydman, Jari; Ge, Yanling; Que, Zaiqing; Efsing, Pål. 2025. Microscopic characterisation of brittle fracture initiation in irradiated and thermally aged low-alloy steel welds of a decommissioned reactor pressure vessel. Elsevier. Journal of Nuclear Materials, volume 603, 155423. ISSN 0022-3115.
DOI: 10.1016/j.jnucmat.2024.155423 View at publisher
- [Publication 3]: Lindqvist, Sebastian; Norrgård, Alex; Arffman, Pentti; Hytönen, Noora; Lydman, Jari; Efsing, Pål; Suman, Siddharth; Nevasmaa, Pekka. 2023. Mechanical behavior of high-Ni/high-Mn Barsebäck 2 reactor pressure vessel welds after 28 years of operation. Elsevier. Journal of Nuclear Materials, volume 581, 154447. ISSN 0022-3115.
DOI: 10.1016/j.jnucmat.2023.154447 View at publisher
- [Publication 4]: Hytönen, Noora; Ge, Yanling; Que, Zaiqing; Lindqvist, Sebastian; Nevasmaa, Pekka; Virkkunen, Iikka; Efsing, Pål. 2023. Study of fusion boundary microstructure and local mismatch of SA508/alloy 52 dissimilar metal weld with buttering. Elsevier. Journal of Nuclear Materials, volume 583, 154558. ISSN 0022-3115.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202306304342DOI: 10.1016/j.jnucmat.2023.154558 View at publisher