Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6911

EUROFER 97 - Tensile, Charpy, Creep and Structural Tests

M. Rieth, M. Schirra, A. Falkenstein, P. Graf, S. Heger, H. Kempe, R. Lindau, H. Zimmermann

Abstract
EUROFER 97 – the European reference material for the first wall of a DEMO fusion reactor – was produced as 3.5 t batch of rods and plates. Following the history of the development activities from conventional martensitic 12 % Cr steel, MANET and OPTIFER up to the low or reduced activation (RAFM) EUROFER steel, results obtained from experiments on specimens from rods (Ø 100 mm) and plates (14 mm) are presented for a basic characterization. Physical and mechanical properties are compared with those of OPTIFER-1W and the F82Hmod 2% W steel.

The transition behaviour was determined by plotting a continuous TTT (time temperature transition) diagram. In addition, extension coefficients were determined from room temperature up to 1000 °C.

Hardening tests at temperatures from 850 °C to 1120 °C illustrated the range of maximum hardness as well as grain size development. Tempering tests and additional annealing experiments from 300 °C to 875 °C allowed characterizing tempering behaviour and stability.

Charpy properties were examined for various heat treatments and specimen types between 60 °C and -100 °C. Further, ductility criteria like FATT, DBTT and 68 J were determined. Particular attention was paid to the influence of grain size and O₂ content.

Tensile strength was measured for several heat treatments between room temperature and 700 °C.

Long-term ageing was investigated by means of stabilization annealing experiments. These were carried out with various temperature/time combinations including tensile tests. In EUROFER tensile strength was hardly affected by the different heat treatments while the ductility criteria showed only a moderate increase in temperature. Therefore, it can be concluded that EUROFER is not susceptible to ageing.

Creep and creep rupture properties were investigated in the temperature range of 450 °C to 650 °C. So far, creep times of up to 15000 h have been covered by the experiments. The status of the test program allows for an extrapolation of the 1 % yield limits and times to rupture to a period of 20000 h. Creep behaviour and stress exponents can be determined reliably for the experimental stress range. However, for the design relevant low stress range (= 100 MPa) up to 550 °C creep data are still lacking.

Therefore, special creep tests at 500 °C and 550 °C were started in 2001. They are aimed at the experimental determination of design relevant yield limits (0.01-1%) and minimum creep rate behaviour.

EUROFER 97: Zug-, Kerbschlag-, Kriechversuche und Strukturuntersuchungen

Zusammenfassung
Der europäische Referenzwerkstoff EUROFER für die Erste Wand eines DEMO-Fusionsreaktors ist als 3,5 t-Charge in verschiedenen Halbzeugabmessungen hergestellt worden. Nach dem historischen Vorspann über die Entwicklungslinie vom konventionellen martensitischen 12% Cr-Stahl über MANET und OPTIFER zum reduziert-aktivierenden EUROFER, werden die Ergebnisse der Versuche an 2 Halbzeugabmessungen (Ø 100 mm und 14 mm Blech) zur Basis-Charakterisierung beschrieben. Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften werden mit denen von OPTIFER-1W und dem 2%W-Stahl F82H-mod verglichen.

Zur Klärung des Umwandlungsverhaltens wurde ein kontinuierliches Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild erstellt und die Ausdehnungskoeffizienten für RT-1000°C bestimmt. Härteversuche im Temperaturbereich 850-1120°C zeigen den Bereich der maximalen Härteannahme und die Korngrößenentwicklung. Anlassversuche und zusätzliche Glühversuche im T-Bereich 300-875°C geben Aufschluss über das Anlassverhalten und die zusätzlichen Glühversuche über die Anlassbeständigkeit. Das Kerbschlagzähigkeitsverhalten wird für verschiedene Vergütungszustände und Proben aus 2 verschiedenen Halbzeugen für den Prüftemperaturbereich +60 bis -100°C beschrieben und die Duktilitätskriterien FATT-DBTT-68 J bestimmt. Auf den Einfluss der Korngröße und des O₂-Gehaltes wird besonders hingewiesen. Die Zugfestigkeitseigenschaften für verschiedene Vergütungszustände wurden im Prüftemperaturbereich RT-700°C bestimmt.

Das Alterungsverhalten der Vergütungsstruktur, infolge langzeitiger Temperatureinwirkung, wurde durch Stabilisierungsglühungen mit verschiedenen T/t-Kombinationen auf die Zugfestigkeitseigenschaften untersucht. EUROFER zeigt bei den Zugfestigkeitseigenschaften praktisch kaum einen Einfluss der Glühbehandlungen und bei den Kerbschlagzähigkeitseigenschaften nur eine moderate Erhöhung der Temperaturen für die Zähigkeitskriterien, d.h., EUROFER ist nicht alterungsanfällig.

Das Zeitstandfestigkeits- und Kriechverhalten wird im T-Bereich 450-650°C untersucht, und bisher ist der Versuchszeitraum bis rd. 15000 h experimentell abgedeckt. Der bisherige Stand des Versuchsprogramms erlaubt die Festlegung der Mindestwerte für die 1% Zeit-Dehngrenzen und die Zeitstandfestigkeit für 20000 h Einsatzzeit. Das Kriechverhalten mit dem daraus abgeleiteten Spannungsexponenten kann für den experimentell abgedeckten Spannungsbereich sicher angegeben

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