Experimental methods for creation of artificial imperfections via creep and fatigue in 13CrMo4-5 steel

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2022-08-22
Department
Major/Subject
Production Engineering
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
51 + 13
Series
Abstract
This work contributes with the development of experimental conditions and methods for creating artificial imperfections in low-alloy 13CrMo4-5 steel. This steel is a heat-resistant special structural steel. The steel plate studied had a thickness of 20 mm. The work is implemented on the scope of a fundamental research project to evaluate early imperfections in special materials for energy applications, such as power plants. The methods applied to create these imperfections are fatigue and creep tests. In particular, the installation of the creep testing conditions was one main development of this work, as it was not previously available at Aalto laboratories. Additionally, several adapters and clamps were designed and created dedicated for the existing equipment and ensure fit with the dimensions of the specimens to be extracted from the tested steel. In parallel, other tests were applied to further characterize the mechanical metallurgical features of the 13CrMo4-5 steel. These other tests are hardness test, and tensile tests for the designed specimen. Some of the conducted tensile tests are featured with digital image correlation analysis, where localized strain is evaluated during tensile tests. A new dedicated hourglass-shape specimen was designed and implemented, with geometrical features to be compatible with the stable operation requirements for creep, fatigue, and tensile testing. This will enable future combination of testing actions with same specimen, namely creep after fatigue, and fatigue after creep. This aim at the creation of complex, located in multiple positions and more realistic imperfections. The cross section of the specimens will also enable the extraction of samples for thermal desorption spectroscopy, which is a major strategic testing method on the scope of the main research project. The creep life of the specimen was found to be approximately 250 hours, at a temperature of 662°C. The test was run at constant load, corresponding to an initial stress of 50 MPa. A large amount of corrosion was obtained in the sample, during testing, and this may have affected the results. The results in fatigue tests shows that the specimen ruptured after approximately 500 000 cycles at a stress of 4 % above its initial yield strength, which is an indication of the evolution of the strengthening mechanisms, with energy loading, inherent to this special material composition. Specimens tested below the yield strength presented infinite life and were stopped after 1 300 000 cycles when no fracture occurred. Tensile tests and hardness tests for the base material showed slightly higher values in strength and hardness when comparing the material to various sources in literature.

Detta arbete bidrar till utvecklingen av experimentella förhållanden och metoder för att skapa artificiella defekter i låglegerat 13CrMo4-5-stål. Stålet är ett värmebeständigt konstruktionsstål, som används vid industriella anläggningar, såsom kraftverk. Arbetet genomförs inom ramen för ett forskningsprojekt vid Aalto-universitetet, och går ut på att skapa artificiella defekter i materialet genom utvalda metoder. Metoderna som används för att skapa dessa defekter är utmattnings- och krypprov. Installationen av krypförhållanden är även en central del av detta arbete, eftersom utrustningen för krypprov inte tidigare använts vid Aalto-universitetets laboratorium. För att utföra utmattnings- och krypproven, formgavs och ett provexemplar, som kan användas till båda ändamålen. Därutöver formgavs och skapades adaptrar, avsedda för att koppla provexemplaret till den befintliga utrustningen i laboratoriet. Dragprov, krypprov och utmattningsprov utfördes på det nya provexemplaret, medan hårdhetsmätning och analys av stålets mikrostruktur genomfördes på den studerade stålplåten, vart ifrån provexemplaren extraherats. Den studerade stålplåten hade en tjocklek på 20 mm. En del av de utförda dragproven presenteras med digital bildkorreation (DIC), som användes till att utvärdera lokal deformation och symmetri under proven. Provexemplaret har formen av ett timglas med tvärsnitt på Ø8 mm vid den tunnaste delen. Den utvalda geometrin möjliggör framtida prover av krypning efter trötthet och trötthet efter krypning, vilket kan användas för att utvärdera materialets egenskaper vid förhållanden som påminner om verkliga förhållanden. Tvärsnittet av proverna kommer också att möjliggöra extrahering av material för termisk desorptionsspektroskopi, vilket är en viktig strategisk testmetod inom forskningsprojektet. I krypproven åstadkom provexemplaret en livslängd på cirka 250 timmar vid 662 °C. Testet utfördes med konstant belastning, motsvarande en initial dragspänning på 50 MPa. En stor mängd korrosion erhölls i provet under testningen, vilket kan bidra till resultatet. Resultaten i utmattningstester visar att provexemplaret brast efter cirka 500 000 cykler vid en spänning på 4 % över dess initiala sträckgräns, vilket är en implicerar att förstärkningsmekanismer sker i materialet, då det utsätts med en energibelastning. Prover som testades under sträckgränsen uppvisade oändlig livslängd och stoppades efter 1 300 000 cykler då ingen fraktur inträffade. Dragprov och hårdhetsmätningar för basmaterialet visade något högre värden vid jämförelse med litteraturkällor.
Description
Supervisor
Vilaça, Pedro
Thesis advisor
Santos Silva, Maria
Keywords
fatigue, creep, tensile tests, hardness tests, 13CrMo4-5, 1.7335
Other note
Citation