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This final report summarizes the activities and results that were obtained by the research team working on the project “Characterization of Creep-Fatigue Crack Growth in Alloy 709 and Prediction of Service Lives in Nuclear Reactor Components”, DOE-NEUP Project 15-8623. This project was mainly concerned with the creep-fatigue crack growth characterization of austenitic stainless-steel Fe-20Cr-25Ni (Alloy 709). For this purpose, an array of experimental and computational activities was performed. The main goal of these activities was to describe and predict the crack growth behavior in Alloy 709 under different conditions of applied loading and temperature. Alloy 709 specimens were tested to describe both the uniaxial creep behavior and creep-fatigue crack growth rates at temperatures between 550°C and 700°C. Microstructure and fracture surface analysis was performed using several experimental techniques, and the defining features of crack growth propagation were identified and described. Thermodynamic and diffusion simulations were performed to understand the microstructure evolution of Alloy 709 at elevated temperatures, and to establish an aging schedule relevant for in-service conditions over extended periods. Experimental testing was performed on both as-received and aged Alloy 709 specimens. Two computational methods were developed to predict crack growth rates and remaining lives in specimens loaded under either fatigue of creep-fatigue. The first computational technique was the finite element method, while the second was strip-yield modeling. Both methods relied on the prediction of crack growth rates using the concept of plasticity-induced crack closure. Crack-tip opening loads were computed and used to perform crack growth rate predictions. The computational predictions matched well with the experimental results. The strip-yield model was shown to be an excellent predictive tool not only for crack growth in austenitic SS Alloy 709, but also in 316 SS, martensitic Cr-Mo steels, Ni-based alloys and Al-based alloys. The main conclusion of this study is that Alloy 709 exhibits excellent creep crack growth resistance at temperatures between 550°C and 700°C. In fact, the crack growth resistance of this alloy appears to be higher than that of 316 SS in similar testing conditions. Moreover, when creep loading with hold (dwell) times of 60s or 600s were intercalated every fatigue cycle, the crack growth rates did not change significantly. The conclusion is that the tests performed revealed that the crack growth is insignificant during the creep portion of a loading cycle, as compared with the crack growth during the fatigue portion of the cycle. In general, Alloy 709 shows excellent resistance to creep deformations and creep crack growth up to 700°C.
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该最终报告总结了“核反应堆部件蠕变疲劳裂纹扩展的表征合金709和预测服务生活的”,DOE-NEUP项目15-8623该项目的研究小组的工作得到了活动和结果。该项目主要涉及奥氏体不锈钢的Fe-的20Cr-25Ni(合金709)的蠕变疲劳裂纹扩展特性。为了这个目的,进行的实验和计算活动的阵列。这些活动的主要目的是描述和施加的负荷和温度的不同条件下预测合金709的裂纹增长行为。合金709试样进行了测试,在550℃和700℃之间的温度来描述两个单轴蠕变行为和蠕变疲劳裂纹扩展速率。使用几种实验技术进行微结构和断裂表面分析,和裂纹扩展传播限定特征进行鉴定并描述。热力学和扩散模拟中进行了解合金709的在升高的温度下的组织演变,并建立相关的老化时间表在服务条件在延长的时间段。已于既作为接收的和老化的合金709的标本进行的实验测试。两种计算方法的发展来预测裂纹扩展速率和蠕变疲劳或者​​疲劳加载下标本剩余寿命。第一计算技术是有限元法,而第二个条形收率建模。这两种方法都使用塑性诱发裂纹闭合的概念依赖的裂纹增长速率的预测。裂纹尖端开口载荷进行了计算并用于执行裂纹扩展速率的预测。该计算机预测与实验结果匹配良好。带状产量模型被证明是不仅为奥氏体SS合金709裂纹生长的优良的预测工具,而且在316 SS,马氏体的Cr-Mo钢,Ni基合金和Al基合金。本研究的主要结论是,合金709个表现出优异的抗蠕变在550℃和700℃之间的温度耐裂纹生长性。事实上,这种合金的抗裂纹扩展性似乎是比316 SS的高于类似的测试条件。此外,当蠕变载荷与保持(停留)60秒或600秒的时间被嵌入每一疲劳循环,裂纹扩展速率没有显著改变。结论是,在测试中表现,发现该裂纹增长是装载周期的蠕变部分期间不显着,与循环的疲劳部分期间裂纹的增长。一般情况下,合金709示出了对蠕变变形和蠕变裂纹扩展到700℃优异。
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这份最终报告总结了研究团队在"合金709的爬行-疲劳裂纹生长特征和核反应堆部件使用寿命预测"项目、DOE-NEUP项目中获得的活动和结果。15-8623. 本项目主要涉及奥斯坦特不锈钢Fe-20Cr-25Ni(合金709)的蠕变疲劳裂纹生长特性。为此,进行了一系列实验和计算活动。这些活动的主要目的是描述和预测合金709在不同条件下的裂纹生长行为。对合金 709 试样进行了测试,以描述在 550°C 和 700°C 之间的温度下的单轴蠕变行为和蠕变疲劳裂纹增长率。采用多种实验技术进行了微观结构和断裂面分析,确定了裂缝生长传播的界定特征。二是确定了裂缝生长传播的确定特征。进行了热力学和扩散模拟,以了解合金709在高温下的微观结构演变,并建立与长时间使用中条件相关的老化时间表。对接收和老化合金709样品进行了实验测试。开发了两种计算方法,用于预测裂纹的生长速率和在爬行疲劳疲劳下加载的标本中的剩余生命。第一种计算技术是有限元方法,第二种计算技术是条带生成建模。这两种方法都依赖于使用可塑性诱导裂纹闭合的概念预测裂纹增长率。计算裂纹尖端打开负载并用于执行裂纹增长率预测。计算预测与实验结果吻合良好。条带产量模型已被证明是一个优秀的预测工具,不仅用于在奥斯汀SS合金709的裂纹增长,而且还在316 SS,马氏克-莫钢,镍基合金和铝基合金。本研究的主要结论是,合金709在550°C至700°C的温度下具有优异的蠕变裂纹生长阻力。事实上,在类似的测试条件下,该合金的裂纹生长阻力似乎高于316 SS。此外,当每次疲劳周期中穿插60或600年代的爬行载荷(Hold)时,裂纹增长率没有显著变化。结论是,进行的试验表明,与周期疲劳部分的裂纹增长相比,裂纹在载荷周期的蠕变部分的裂纹增长是微不足道的。一般来说,合金709具有出色的抗蠕变变形和蠕变裂纹增长高达700°C。
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本最终报告总结了DOE-NEUP项目15-8623“709合金蠕变疲劳裂纹扩展特性和核反应堆部件使用寿命预测”研究小组的活动和结果。本课题主要研究了奥氏体不锈钢Fe-20Cr-25Ni(709合金)的蠕变疲劳裂纹扩展特性。为此,进行了一系列的实验和计算活动。这些活动的主要目的是描述和预测709合金在不同加载条件和温度下的裂纹扩展行为。对709合金试样在550℃~700℃温度下的单轴蠕变行为和蠕变疲劳裂纹扩展速率进行了测试,采用多种实验技术进行了显微组织和断口分析,识别并描述了裂纹扩展的定义特征。通过热力学和扩散模拟,了解709合金在高温下的微观组织演变,并建立与长期使用条件相关的时效制度。对709合金试样进行了实验测试。本文提出了两种计算方法来预测蠕变疲劳载荷下试件的裂纹扩展速率和剩余寿命。第一种计算方法是有限元法,第二种是带钢屈服模型。这两种方法都依赖于使用塑性诱导裂纹闭合概念预测裂纹扩展速率。计算了裂纹尖端张开载荷,并将其用于裂纹扩展速率预测。计算结果与实验结果吻合较好。结果表明,该模型不仅对奥氏体不锈钢709,而且对316不锈钢、马氏体铬钼钢、镍基合金和铝基合金的裂纹扩展具有良好的预测作用。本研究的主要结论是,709合金在550℃~700℃的温度范围内表现出优异的蠕变裂纹扩展抗力,事实上,在类似的试验条件下,该合金的裂纹扩展抗力似乎高于316不锈钢。此外,在每一个疲劳循环中,当夹持(停留)时间为60s或600s的蠕变载荷时,裂纹扩展速率没有显著变化。结果表明,与循环疲劳阶段的裂纹扩展相比,加载循环蠕变阶段的裂纹扩展不明显。一般来说,合金709表现出优异的抗蠕变变形和蠕变裂纹扩展性能,最高可达700°C。
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