The effects of static strain aging on the 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
2021-08-23
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
90+7
Series
Abstract
Finland and Sweden are amongst the first countries moving forward with the plans regarding geological disposal of spent nuclear fuel. Spent nuclear fuel is intended to be placed in long-term geological repositories in accordance with the KBS-3 method where the spent nuclear fuel is placed in large copper canisters that are sealed and buried deep in the bed rock. The load-bearing element in these canisters is an insert made of nodular cast iron of grade EN-GJS-400-15U. Questions regarding the possible role of strain aging in the material properties of the cast iron insert in the repository conditions have been largely overlooked and have not been thoroughly studied yet. This thesis explores the phenomenon of static strain aging in the nodular cast iron to be used for this application, and its effects on the mechanical performance of the material. Static strain aging was studied by pre-straining tensile specimens made from the given material to 1 %, 2 % and 3 % nominal strains. The pre-strained specimens were aged at various temperatures ranging from room temperature (RT) to 400 ℃ for varying times. The static strain aging brought pronounced yield point to the material for all studied pre-strain levels, temperatures, and aging times despite the as received material behaving smoothly with no pronounced yield point. Increasing the pre-strain raised the yield strength of the material more compared to lower pre-strain. The maximum yield strength levels were already achieved with aging in 100 ℃ for 1 day and aging at higher temperature of 200 ℃ and/or increasing aging time to 11 days had no significant effect on the yield strength. Aging at higher temperatures of 300 ℃ and 400 ℃ resulted in lower increase in yield strength and the yield point became less pronounced as the aging temperature was raised over 200 ℃. Aging non-pre-strained specimens had no effect on the yielding behavior compared to as received material. Digital image correlation was used to study how the static strain aging affect the strain localization in the material. Strain aging was found to manifest as formation of complex Lüders bands at the onset of yielding. Formation of multiple bands inhibited the band propagation and lead to premature localization of strain in these areas, which lead to earlier fracture.KBS-3 loppusijoituskonseptissa käytetty ydinpolttoaine on tarkoitus sijoittaa suuriin kuparikapseleihin, jotka haudataan syvälle peruskallioon. Kapselin pääasiallinen kuromaa kantava elementti on tarkoitus valmistaa EN-GJS-400-15U ferriittisestä pallografiitti-valuraudasta (PGR). Loppusijoitusolosuhteiden takia herää kysymys myötövanhenemisen mahdollisista vaikutuksista sisäosan kestävyyteen, joita ei ole tutkittu nykyisellään riittävästi. Tässä diplomityössä käsitellään staattisen myötövanhenemisen vaikutuksia sisäosassakäytettävän PGR:n mekanisiin ominaisuuksiin ja sisäosan kestävyyteen. Staattista myötövanhenemista tutkittiin esivenyttämällä materiaalista valmistettuja vetosauvoja 1 %, 2 % ja 3 % nimellisiin venymiin. Esivenytettyjä näytteitä ikäännytettiin eri lämpötiloissa, jotka vaihtelivat huoneenlämpötilasta 400 ℃-asteeseen. Staattinen myötövanheneminen (SSA) toi korostuneen myötörajan esiin materiaalin jännitys-venymäkäyrissä kaikilla tutkituilla esivenymillä, kaikissa tutkituissa lämpötiloissa ja kaikilla tutkituilla ikäännytysajoilla, vaikka vastaanotetussa tilassaan tutkittu materiaali myöti tasaisesti ilman korostunutta myötörajaa. Esivenymän suurentaminen nosti materiaalin myötörajaa enemmän verrattuna matalampiin esivenymiin. Maksimaalinen myötölujuus saavutettiin jo yhden päivän ikäännytyksellä 100 ℃-asteen lämpötilassa ja tätä pidempi 11 päivän ikäännytys ja/tai ikäännytyslämpötilan nostaminen 200 ℃-asteeseen ei vaikuttanut myötölujuuteen merkittävästi. Korkeammissa 300 ℃ ja 400 ℃ lämpötiloissa myötölujuus nousi vähemmän ja myötörajasta tuli selvästi vähemmän korostunut kuin matalammissa lämpötiloissa. Esivenyttämättömien testisauvojen ikäännytyksellä ei ollut vaikutusta materiaalin käyttäytymiseen. Digitaalista kuvakorrelaatiota käytettiin venymien paikallistumisen tutkimiseen vanhennetuilla testisauvoilla. SSA ilmeni testisauvoissa venymien Lüders-nauha-tyyppisenä paikallistumisena myötörajan ympärillä. Tyypillisistä Lüders-nauhoista poiketen useiden deformaationauhojen samanaikainen muodostuminen esti nauhojen liikkeen mittapituuden läpi johtaen ennenaikaisiin jännityskeskittymiin ja lopulta murtumaanDescription
Supervisor
Bossuyt, SvenThesis advisor
Hänninen, HannuKeywords
spent nuclear fuel, ductile cast iron, static strain aging, digital image correlation