Effect of non-monotonic cyclic loading under dynamic strain ageing conditions on mechanical properties of austenitic stainless steels

Abstract

Austenitic stainless steels (SS) are widely used as structural materials in light water nuclear reactors, where low-cycle fatigue is a significant degradation mechanism. In the temperature range where primary circuit operates and at slow strain rates austenitic stainless steels are susceptible to dynamic strain ageing (DSA). DSA occurs in alloys containing solute atoms, which can rapidly and strongly segregate to dislocations and lock them during straining. DSA affects the mechanical properties of austenitic SS and enhances the localisation of plastic deformations, which may shorten the fatigue life of the steel.

The theoretical part of this study discusses the types of non-monotonic loading conditions that occur in LWR components and the suitability of the fatigue design curves in the original ASME codes for the current reactors. In addition, the effect of cyclic loading on plastic deformation and the microstructure produced in the steel is discussed. The main objective of the theoretical part is to review the DSA theory and to assess, how DSA affects the microstructure and therefore the mechanical properties of austenitic SS.

The objective of the experimental part was to study the influence of DSA and non-monotonic cyclic pre-loading on mechanical properties of austenitic SS AISI 304L. The mechanical tests consisted of non-monotonic cyclic pre-loading in stress-or displacement-controlled mode at elevated temperature followed by monotonic tensile tests at the same temperature. Pre-loading under DSA conditions did not affect significantly the mechanical properties of AISI 304L steel. However, internal friction studies confirmed that the studied steel is susceptible to DSA if the critical amount of strain is reached. Microstructures formed during pre-loading were studied by transmission electron microscopy (TEM). Pre-loading under DSA conditions produced planar dislocation structure in the sample whereas pre-loading without DSA conditions resulted in cellular dislocation structure typical for cyclic loading.

Austeniittisia ruostumattomia teräksiä käytetään laajalti rakennemateriaalina kevytvesireaktoreiden komponenteissa, joissa matalasyklinen väsyminen on yksi tärkeimmistä vaurioitumismekanismeista. Lämpötila-alueella, jolla kevytvesireaktorit toimivat, sekä hitailla venymänopeuksilla austeniittisissa ruostumattomissa teräksissä tapahtuu dynaamista myötövanhenemista (DSA). DSA:ssa välisija-atomit, terästen kohdalla erityisesti hiili ja typpi, lukitsevat dislokaatiot paikalleen. DSA vaikuttaa teräksen mekaanisiin ominaisuuksiin sekä edesauttaa plastisen muodonmuutoksen paikallistumista, minkä on todettu pienentävän teräksen väsymiskestävyyttä.

Tämän tutkimuksen teoreettisessa osassa eritellään kevytvesireaktoreissa esiintyviä kuormitustilanteita sekä arvioidaan 1970-luvulla kehitetyn väsymissuunnittelun sopivuutta nykyisille laitoksille. Lisäksi teoreettinen osuus käsittelee syklisen kuormituksen aiheuttamien pysyvien muodonmuutosten vaikutusta teräksiin. Pääpaino työn teoreettisessa osassa on kuitenkin DSA-teorian tarkastelulla sekä ilmiön aiheuttamien vaikutusten selittelyllä.

Työn kokeellisessa osuudessa tutkittiin syklisen kuormituksen sekä DSA:n yhteisvaikutusta austeniittisen ruostumattoman teräksen AISI 304L mekaanisten ominaisuuksien muuttumiseen. Terässauvoja väsytettiin ensin jännitys- tai venymäkontrolloidulla kuormituksella korkeassa lämpötilassa, jonka jälkeen sauvoille tehtiin vetokokeet. Esiväsytys DSA-alueella ei vaikuttanut merkittävästi teräksen mekaanisiin ominaisuuksiin. Sisäisen kitkan mittauksissa havaittiin, että tutkittava teräs on silti altis DSA:lle. Ilmiötä ei kuitenkaan tapahdu, mikäli kriittistä venymäarvoa ei saavuteta. Läpivalaisuelektronimikroskopialla (TEM) tehtyjen tutkimusten perusteella DSA-alueella esiväsytetyissä näytteissä syntynyt dislokaatiorakenne oli tasomainen, kun taas ilman DSA-ilmiötä esiväsytys aiheutti näytteisiin väsymiskuormitukselle tyypillisen sellimäisen dislokaatiorakenteen.