Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche
Berichte – FZKA 7066
Entwicklung einer miniaturisierten bruchmechanischen
Probe für Nachbestrahlungsuntersuchungen
H.-C. Schneider
Zusammenfassung
Der vorliegende Bericht
stellt eine miniaturisierte Probe zur Ermittlung bruchmechanischer Kennwerte an
ferritisch-martensitischen Stählen vor. Aufgrund ihrer kleinen Abmessungen und
der gewählten Geometrie ist die Dreipunkt-Biegeprobe geeignet, in räumlich beschränkten
Bestrahlungsprogrammen eingesetzt zu werden. Den bei kleinen Proben zu
befürchtenden Nichtkonservativitäten wird durch geometrische Modifikation der
Bruchzone und durch die Entwicklung geeigneter Prüf- und Auswertetechnik
begegnet. Eine experimentelle und rechnerische Validierung anhand von normgerechten
Proben unter Verwendung verschiedener Materialien zeigt die Gültigkeit der mit solchen
Proben gewonnenen bruchmechanischen Kennwerte.
Eine auf Finite-Elemente-Berechnungen
basierende Analyse des Spannungsfeldes vor der Rißspitze legt künstliche
Dehnungsbehinderungen durch seitliche Kerben nahe. Eine solche Kerbung ergibt
für Proben unterschiedlicher Größe stark vergleichmäßigte Verläufe von
Spannungen und J-Integral unter Modus-I-Belastung, wie sie für die Ermittlung
bruchmechanischer Kennwerte sinnvoll sind. Isotherme Experimente werden an den
drei grundsätzlichen Materialzuständen spröde, duktil und spröd-duktil unter
Verwendung verschiedener Probengrößen und -geometrien vorgenommen. In temperierten
Experimenten wird die Verschiebung des spröd-duktilen Übergangs der
Rißzähigkeit gegenüber Proben herkömmlicher Größe untersucht. Es wird gezeigt,
daß unter Beachtung der in diesem Bericht gegebenen Empfehlungen zur Auswertung
nichtkonservative Ergebnisse ausgeschlossen werden können.
Die praktische Verwendbarkeit der
vorgestellten Probenform wird mit der Prüfung von bestrahlten Proben
nachgewiesen. Die Auswertung ergibt, daß sie auch unter den Bedingungen
abgeschlossener Versuchszellen und fernbedienter Handhabung für
bruchmechanische Untersuchungen einsetzbar ist und reproduzierbare Werte für JID und KID liefert.
Development of a miniaturized fracture-toughness specimen for
post-irradiation experiments
Abstract
The present report introduces a miniaturized sample for the
determination of fracture mechanics characteristics of ferritic-martensitic
steels. Due to its small dimensions and the geometry selected, the three-point
bending specimen is suitable for use in irradiation programs with limited
space. The nonconservative results which are feared to be obtained when using
small specimens are prevented by a geometrical modification of the fracture
zone and by the development of a suitable test and evaluation technique. An experimental
and computational validation on the basis of standard samples using different
materials reveals the validity of the fracture mechanics characteristics
obtained with such samples.
An analysis of the stress state in front of the crack tip, based on
finite-element calculations, suggests artificial constraints by lateral
notches. Such notches give rise to stronger uniformly distributed stress states
and J-integral values under mode-I loading for samples of different sizes,
which are useful for the determination of fracture mechanics characteristics.
Isothermal experiments are performed under the three fundamental material
conditions of ductile, brittle, and ductile-to-brittle-transition using different
specimen sizes and geometries. The shift of the fracture toughness’
ductile to brittle transition - in comparison to full-scale specimens - is
examined in tempered experiments. It is shown that considering the
recommendations for evaluation given in this report, non-conservative results
can be excluded.
Practical suitability of the specimen type presented is demonstrated by
examining irradiated samples. Evaluation shows that the specimen is - also
under the conditions of hot cells and remote handling - usable for fracture
mechanics investigations and that it supplies reproducible values for JID and KID.