Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6931

Creep-fatigue Lifetime Prediction Rules for Ferritic Martensitic Steels (Final Report, Task: TW2-TTMS-005a, D4)

Jarir Aktaa and Rolf Schmitt

Abstract
Structural materials of fusion reactors are subjected to complex creep-fatigue loading and high irradiation doses. Correct modelling of their deterioration is a precondition of a suffi-ciently reliable lifetime prediction procedure.

In the continuum mechanics approach selected for lifetime prediction of RAFM steels under creep-fatigue conditions the ISRM (Inelastic Strain Rate Modified) damage model is cou-pled with a modified viscoplastic deformation model taking into account the complex non-saturating cyclic softening of RAFM steels. The resulting coupled model is a powerful predic-tion tool, which can be applied to arbitrary creep-fatigue loading provided that the material, temperature and possibly irradiation dose dependent parameters of the model have been determined. Therefore a fitting procedure has been developed for the parameters identifica-tion on the base of deformation and lifetime data from standard low cycle fatigue (LCF) tests without and with hold time as well as creep tests.

The coupled deformation-damage model has been meanwhile applied to F82H mod and EUROFER 97 in the reference (unirradiated) state under isothermal cyclic loading at 450, 550 and 650 °C. The comparisons between model and experiment show that the observed lifetimes in the LCF-tests could be fairly well calculated even for the tests with hold time, which were not considered for the identification of the damage model parameters. However before releasing the model further verifications have to be done by applying the model to iso-thermal two-steps LCF-tests (low-to-high and high-to-low), to thermo-mechanical LCF-tests, to isothermal multiaxial LCF-tests as well as to a suitable benchmark component test. To take into account the influence of irradiation applications of the model are in long term fore-seen to several irradiated states with sufficient data base.

Lebensdauermodellierung ferritsch-martensitischer Stähle

Zusammenfassung
Zur Beschreibung der Schädigung ferritisch-martensitischer Stähle bei einer Kriechermü-dungsbelastung wurde im Rahmen eines kontinuummechanischen Konzepts das ISRM-Modell (Inelastic Strain Rate Modified) mit einem modifizierten viskoplastischen Verfor-mungsmodell gekoppelt. Damit lassen sich das komplexe zyklische Entfestigungsverhalten dieser Stähle sowie die Wechselwirkung zwischen Verformung und Schädigung bei der Be-rechnung der Lebensdauer berücksichtigen. Das resultierende gekoppelte Modell ist auf be-liebige Kriech-Ermüdungsbelastungen anwendbar. Für die Anwendung müssen allerdings die darin enthaltenen material-, temperatur- und bestrahlungsdosisabhängigen Parameter bestimmt werden. Für diesen Zweck wurde eine Anpassungsmethode entwickelt, mit der die Parameterbestimmung auf der Basis von Daten aus standardisierten Kriech- und LCF-Versuchen ohne und mit Haltezeit erfolgen kann.

Das gekoppelte Verformungs-Schädigungs-Modell wurde mittlerweile auf F82H-mod und EUROFER 97 jeweils in dem unbestrahlten Anlieferzustand angewandt. Betrachtet wurden dabei isotherme LCF-Versuche bei 450, 550 und im Falle F82H mod auch 650°C. Der Ver-gleich zwischen Modell und Experiment zeigt, dass die im Experiment ermittelten Lebens-dauern recht gut durch das Modell wiedergegeben werden. Auch bei der Vorhersage der Lebensdauern von LCF-Versuchen mit Haltezeit, die für die Bestimmung der Parameter des Schädigungsmodells nicht herangezogen wurden, liefert das Modell gute Ergebnisse. Ent-sprechendes konnte auch für EUROFER 97 erzielt werden. Für die Anwendung des Modells auf reale Strukturen mit reaktortypischen Belastungen sind jedoch weitere Verifikationen notwendig, bei denen isotherme zweistufige (tief-hoch und hoch-tief), thermomechanische einachsige und isotherme mehrachsige LCF-Versuche sowie geeignete Bauteilversuche betrachtet werden. Um den Bestrahlungseinfluss zu berücksichtigen, sind langfristig auch Anwendungen auf mehrere bestrahlte Zustände mit hinreichender Datenbasis vorgesehen.

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