Description of creep fatigue crack initiation behaviour of power plant steels

An den warmfesten Kraftwerksstählen 30CrMoNiV4-11 und X10CrMoVNb9-1 wurde das Risseinleitungs- und Rissausbreitungsverhalten unter Kriechermüdungsbeanspruchung untersucht. Geprüft wurden Proben vom Typ CT und DENT in unterschiedlichen Abmessungen unter kraftkontrollierter Zugschwellbeanspruchung. Beanspruchungen mit Haltezeiten zwischen 0,1 h und 10 h decken den für die Versagensvorhersage besonders interessierenden Bereich der Interaktion zyklischer und statischer Schädigung ab. Die Durchführung langzeitiger Versuche mit Laufzeiten bis ca. 8000 h bzw. 30000 LW bietet unter Berücksichtigung der zeitabhängigen Entfestigungsvorgänge im Kriechbereich eine notwendige Grundlage für die Übertragbarkeit der experimentellen Ergebnisse auf das Bau-teilverhalten. Für Beanspruchungen mit Lastwechselfrequenzen f > 0,01 Hz ohne eingeschobene Zughaltezeiten ist kein Frequenzeinfluss auf das Risseinleitungsverhalten erkennbar. Für Beanspruchungen mit niedrigeren Lastwechselfrequenzen und eingeschobenen Zughaltezeiten ist ein zunehmender Einfluss statischer Schädigung zu erkennen, der, verglichen mit zyklischen Beanspruchungen, zu einer Verringerung der Anrisslastspielzahl N_A führt. Die Anrisslastspielzahl N_A bzw. die Risseinleitungsdauer t_A sind in diesem Bereich eine Funktion der Belastungsfrequenz f bzw. der Zughaltezeit t_H. Beanspruchungen mit sehr langen Haltezeiten bzw. Lastwechselfrequenzen 10^-3 Hz transkristalline Rissausbreitung, für f < 10^-3 Hz interkristalline Rissausbreitung dominiert. Mit Hilfe des Zwei-Kriterien-Verfahrens könne der Risseinleitungszeitpunkt sowie die Schä-digungsart (Leck-vor-Bruch oder Bruch-vor-Leck) für Bauteile unter Kriechbeanspruchungen vorhergesagt werden. Dabei werden die Beanspruchungen an der Rissspitze (Parameter K_I) sowie im Fernfeld der Komponente (Nennspannung Sig_n) auf den jeweiligen, zeitabhängigen Werkstoffkennwert K_IA bzw. R_mtT bezogen. Dieses, bisher nur für zeitlich konstante Belastungen überprüfte, Verfahren wurde auf Kriechermüdungsbeanspruchungen erweitert. Dazu wurde der Kennwert K_IA, der den Werkstoffwiderstand gegenüber Risseinleitung kennzeichnet, auf der Basis der Ergebnisse der vorliegenden Versuche modifiziert, sodass auch Zug-schwellbeanspruchungen mit f < 10^-3 Hz sicher beschrieben werden können. Spannungsumlagerungsprozesse und Unterschiede in der Querdehnungsbehinderung führen im Kriechbereich zu einer Größenabhängigkeit der Rissinitiierungsdauer. Daraus resultiert bei Verwendung des Zwei-Kriterien-Verfahrens für große Proben / Bauteile eine konservative Voraussage des Rissinitiierungszeitpunktes.For power plants which are used in the medium and peak load regime the dominant loading situation of high temperature compo-nents is creep fatigue. Thus, the life as-sessment requires data about crack initiation and crack growth under creep fatigue con-ditions. These characteristics can not be easily substituted by pure fatigue crack or creep crack data. Therefore, a comprehensive test programme was carried out to investigate ex-perimentally the creep fatigue crack behaviour of a bainitic turbine rotor steel (30CrMoNiV4-11) and a martensitic pipe steel (X10CrMoVNb9-1). The test materials were taken from industrial products. All tests on 1%CrMoNiV-steel were carried out at 550 °C, all tests on steel 9%CrMoVNb at 600 °C. Side grooved compact tension (CT) specimens with 25 and 50 mm thickness as well as double edge notch tensile (DENT) specimens with 15 and 60 mm thickness have been tested in order to observe possible influences of ge-ometry and thus to check the transferability of specimens test results to the behaviour of components. Long term tests up to 8000 h under cyclic tension load with R = F_min/F_max = 0.1 were performed with hold times at maximum load from 0.1 up to 10 h to come near to service conditions. These loading frequencies are also chosen to build up the range of interaction between trans- and intergranular crack growth. Long term tests of power plant steels under creep and creep fatigue loadings are serving as a basis to transfer experimentally results to component behaviour, concerning the time dependent material behaviour in the high temperature regime like decreasing creep strength and ductility and increasing notch susceptibility. An analytical description of crack initiation and crack growth under creep fatigue conditions is of technical and economical interest. To achieve this relevant data describing crack behaviour under creep and pure fatigue are needed. A large database of creep crack data is already available for steel 30CrMoNiV4-11 from several German research projects of IfW Darmstadt and MPA Stuttgart. On steel X10CrMoVNb9-1 several addi-tional tests have been performed. For the prediction of crack initiation under creep fatigue conditions a modified two-criteria-method is proposed. The original method was developed for creep crack initiation. A nominal stress Sig_n0 considers the stress situation in the ligament of a specimen or a component, i.e. in the farfield of the creep crack. The fictitious elastic parameter K_I0 characterizes the crack tip situation. The stress intensity factor is valid for linear elastic behaviour only, but it can be approximately used for a limited plastic zone near the crack tip. These loading parameters are normalised in a two-criteria-diagram by the respective time and temperature dependent values, which indicate the material resistance against crack initiation. The normalised parameters are the stress ratio R_sig = Sig_n0/R_mtT for the farfield and the stress intensity ratio R_K = K_I0/K_IA for the crack tip. The value R_mtT is the creep rupture strength of the material and the parameter K_IA characterizes the creep crack initiation of the material. This parameter has to be determined from specimens with high ratio K_I/Sig_n, preferably CT25-specimens. In the modified two-criteria-diagram for creep fatigue crack initiation, only loading situations with damage mechanisms, dominated by creep deformation processes, are predictable conservatively, caused by the reference to results of creep tests on smooth and spark eroded specimens. Therefore the portion of fatigue damage, must be restricted. This can be done by a commitment of an upper frequency for the application of Two-Criteria-Dia-gram. For the tested frequency range from 10^-1 Hz down to 10^-5 Hz in the above mentioned experiments, the transition between frequency and time dependent fracture behaviour was estimated to about 10^-3 Hz. This estimation is based on microscopical investigations of the fracture mode (trans- vs. inter-granular), observations of crack growth rate da/dN vs. frequency and hold time respectively as well as comparisons of crack initiation results between creep fatigue tests and pure cyclic / pure static tests. Below f < 10^-5 Hz differences between creep fatigue and pure creep results are rather neglectaible, the application of the Two-Criteria-Diagram for static (creep) loading is suggested. For creep fatigue loading, instead of K_I0 as parameter to describe crack tip behaviour in the component K_I max should be used as the stress intensity calculated for maximum load Fmax during the service cycle. K_I max is also calculated in the fictitious, linear elastic manner, as described above