Effect van vloeibare metaalomgeving op kiemvorming en voortplanting van vermoeiingsscheuren

De nieuwste generatie kernreactoren wordt ontworpen met als doel schone, efficiënte, en veilige energie te leveren die economisch concurrerend is. Vloeibare metalen worden voorgesteld als koelmiddel voor deze geavanceerde kernsystemen vanwege de verschillende voordelen die ze bieden op het gebied van efficiëntie en veiligheid. Een van de belangrijkste uitdagingen voor koelmiddelen op basis van vloeibare metalen is het vaststellen van hun compatibiliteit met de kandidaat materialen voor de structurele componenten van de reactor.

Deze thesis onderzoekt het effect van een vloeibaar zwaar metaal als koelmiddel, het eutectisch lood-bismut (LBE), op de vermoeiingsweerstand van een kandidaat structureel materiaal, roestvast austenitisch staal 316L. De gekozen belastings- en omgevingsparameters voor dit onderzoek zijn gebaseerd op de verwachte operationele omstandigheden van de Multipurpose hYbrid Research Reactor for High-tech Applications (MYRRHA), die wordt ontwikkeld bij het Studiecentrum voor Kernenergie (SCK CEN) in België.

In deze thesis wordt het effect van de LBE omgeving beoordeeld op drie aspecten van het vermoeiingsgedrag van 316L: 1) het aantal cycli tot falen, de zogenaamde vermoeiingslevensduur; 2) het initiatie van vermoeiingsscheuren aan het oppervlak van het materiaal; en 3) de groei van vermoeiingsscheuren door het materiaal. Het effect van LBE op deze processen wordt vergeleken met het effect van twee referentieomgevingen: vacuüm en lucht.

Het effect van LBE op de vermoeiingslevensduur van 316L wordt gekwantificeerd door experimentele vermoeiingstesten, met behulp van de ‘environmental factor’ methodologie die geaccepteerd is om het effect van water omgevingen op de vermoeiingslevensduur van reactor materialen te evalueren. De experimentele database maakte het mogelijk om het effect van de invloedsparameters tussen 316L en LBE (zuurstofconcentratie, temperatuur en vervormingssnelheid) op de vermoeiingslevensduur te beoordelen. De database is ook groot genoeg voor een statistische significantie analyse. De resultaten tonen aan dat de vermoeiingslevensduur van 316L in LBE ongeveer 3 keer korter dan in vacuüm is, maar vergelijkbaar met die in lucht. De aard van het fenomeen is echter verschillend voor de drie omgevingen. Daarnaast, geen significant effect van temperatuur, zuurstofconcentratie of vervormingssnelheid werd waargenomen onder de geteste omstandigheden.

De initiatie van vermoeiingsscheuren in LBE werd beoordeeld door een analyse van de diepte en het aantal microscheuren die ontstaan op het oppervlak van vermoeiingsmonsters. De resultaten tonen aan dat de nucleatie van microscopische vermoeiingscheuren wordt bevorderd door LBE, maar dat meest van deze scheuren niet verder groeien dan de korrelgrootte van het staal (50 μm). Een analyse met eindige-elementmethoden toont aan dat het grote aantal kleine (< 10 μm) microscheuren dat in de LBE omgeving ontstaan, een verwaarloosbare invloed hebben op de stijfheid van het monster, in tegenstelling tot de minder maar diepere (100–500 μm) microscheuren die in lucht ontstaan, die een schijnbaar verzachtingseffect hebben op de mechanische spanningsrespons van het monster.

Het effect van LBE op de groei van vermoeiingsscheuren wordt geschat aan de hand van experimentele metingen van de scheurgroeisnelheden (FCGRs) en een analyse van het pad van de scheur. De resultaten tonen aan dat er een overgangspunt is waarbij FCGRs in LBE langzamer zijn dan in lucht. Dit gedrag wordt bevestigd door de ductiele vermoeiingslijntjes (striaties) op de breukoppervlakken. Daarnaast tonen de breukoppervlakken in LBE kenmerken van een meer kristallografische afhankelijkheid in vergelijking met lucht en vacuüm, maar de meestal transgranulaire breuk en ductiele vermoeiingslijntjes bevestigen dat het metaal zijn ductiliteit behield onder alle geteste omstandigheden.

De interpretatie van de resultaten van dit werk leidt tot de voorstelling van een mechanisme van vermoeiing in een omgeving van vloeibaar metaal. In dit mechanisme wordt de nucleatie en voortplanting van scheuren bevorderd door de adsorptie van LBE langs de slipbanden die zich vormen aan het oppervlak van het metaal en aan de scheurtip.

Een van de belangrijkste implicaties van dit werk is de mogelijkheid om vermoeiingslevensduur curven bekomen in lucht te gebruiken om de levensduur in LBE redelijk te voorspellen binnen de parameters die in dit thesis zijn onderzocht. Bovendien draagt dit werk bij aan de collectieve ervaring in de beoordeling van omgevingseffecten op mechanische eigenschappen. Ook draagt dit werk bij aan het begrip van de vervorming van vaste metalen in contact met vloeibare metalen, en de rol die interactiemechanismen zoals corrosie en adsorptie spelen bij het gedrag van roestvaste austenitische stalen.