Applicability of miniature Compact Tension specimens for fracture toughness determination in ductile-brittle transition range

Abstract

Surveillance programs were established to monitor reactor pressure vessels (RPV) in service of nuclear power plants (NPP). Regular testing of bainite-ferrite RPV steel is essential, since irradiation is known to cause degradation in mechanical properties as well as rising of the ductile-brittle transition temperature of body-centred cubic (bcc) steels. Surveillance impact testing is mainly performed with Charpy-V notch (CVN) specimens. The tested CVN specimen halves are feasible for manufacturing of miniature size Compact Tension (C(T)) specimens.

The usage of miniature size C(T) specimens for determination of fracture toughness in ductile-brittle transition range is of great interest in NPP field and it is studied in this thesis. Present knowledge of applicability of sub-size specimens is somewhat uncertain considering that reduced specimen size may give increased fracture toughness values.

Two types of materials were examined. Barsebäck 2 material and Ringhals 4 surrogate weld metal in order to determinate the transition temperature T0. Characteristics of fracture mechanics and an overview of RPV materials and methods were outlined in the literature. Fracture toughness tests were carried out together with fractographic characterization and hardness measurements. Microstructural examinations revealed that the miniature C(T) specimens located in the weld metal, HAZ and base material, and is therefore referred to as Barsebäck 2 material hereafter.

The determined transition temperatures T0 of Barsebäck 2 material and Ringhals 4 surrogate weld metal were: B2, -99°C and R4, -68°C. The Barsebäck 2 material results of this thesis were compared to the existing results from Master Curve testing of the Ringhals 3 and Ringhals 4 NPP steels, with similar chemistry. The determined T0 of this thesis was in the same range, despite of the smaller specimen size. Consequently, the miniature C(T) specimens give a size independent T0 value and the applicability of the specimen configuration is possible for the material.

Säteilyseuranta-ohjelma (surveillance) perustettiin ydinvoimalaitoksissa (YVL) käytössä olevien reaktoripaineastioiden (RPV) kunnon valvomiseksi. Bainiittis-ferriitisten paineastiaterästen säännöllinen testaaminen on välttämätöntä, koska säteily huonontaa mekaanisia ominaisuuksia ja nostaa tilakeskisen kuutiollisen (TKK) teräksen transitiolämpötilaa sitkeä-hauras alueella. Pääasiallisesti säteilyseuranta ohjelman iskukokeet suoritetaan Charpy-V (CVN) sauvoilla. Testatuista CVN sauvan puolikkaista voidaan valmistaa minikokoisia Compact Tension (C(T)) sauvoja.

Minikokoisten C(T) sauvojen käyttö murtumissitkeyden määrittämiseen sitkeä-hauras transitioalueella on suuren mielenkiinnon kohde YVL tekniikassa ja sitä tutkitaan tässä työssä. Tämän hetkinen tietämys minikokoisten sauvojen käytettävyydestä on epävarmaa, sillä koesauvan pienempi koko saattaa antaa liian suuria murtumissitkeysarvoja.

Kahta materiaalia tutkittiin transitiolämpötilan T0 määrittämiseksi. Barsebäck 2 materiaalia ja Ringhals 4 varahitsiainetta. Murtumismekaniikan käsitteet ja yleiskuvaus RPV materiaaleista sekä valmistusmetodeista esitetään pääpiirteittäin kirjallisuuskatsauksessa. Murtumissitkeyskokeet tehtiin yhdessä murtopintojen karakterisoinnin ja kovuusmittausten kanssa. Mikrorakennetarkasteluissa ilmeni, että mini C(T) sauvat sijaitsivat hitsiaineessa, muutosvyöhykkeessä sekä perusmateriaalissa, ja siitä johtuen nimitys tarkentui Barsebäck 2 materiaaliksi.

Määritetyt transitiolämpötilat T0 olivat: Barsebäck 2 materiaali, -99 °C ja Ringhals 4 varahitsiaine, -68 °C. Barsebäck 2 materiaalin tuloksia verrattiin olemassa oleviin samankaltaisen kemiallisen koostumuksen terästen Master Curve tuloksiin Ringhals 3 ja Ringhals 4 laitoksista. Tässä työssä saatu T0 oli samalla alueella koesauvan pienestä koosta huolimatta. Näin ollen, minikokoinen C(T) sauva antaa koosta riippumattoman T0 arvon ja minisauvakoon käyttäminen on mahdollista materiaalille.