Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7191

Stresses in oxidized claddings and mechanical stability of oxide scales

H. Steiner, J. Konys

Abstract
The presence of oxide scales on metallic components in an accelerator driven system is very important for their endurance, as they might prevent dissolution attack by the heavy liquid metal. The long-term mechanical stability of protective oxide scales must be investigated. Stresses due to temperature changes and also growth stresses may pose a significant threat to the integrity of the oxide scales. For this aim models for the stresses arising in duplex scales have been developed and applied. In case of a compressive stress state the elastic strain energy in the oxide scale may suffice to judge on the onset of mechanical failures. But this may not be true in case of a mixed stress state (tensile and compressive components).

Observations on mechanical failures of oxide scales grown under gas atmospheres and in heavy liquid environments are discussed. They provide us information on the failure mechanisms and hints on the stress state leading to failure. An important question, which must be clarified, is whether the mechanical failures are only caused by temperature changes or whether some of them have also occurred at steady-state due to growth stresses.



Spannungen in oxidierten Hüllrohren und mechanische Stabilität von Oxidschichten

Zusammenfassung
In einem Beschleuniger getriebenen System ist die Existenz von Oxidschichten auf metallischen Komponenten von großer Bedeutung für deren Standzeit, da sie den Lösungsangriff durch das Flüssigmetall verhindern können. Deshalb muss die mechanische Langzeit-Stabilität von schützenden Oxidschichten erforscht werden. Sowohl Spannungen aufgrund von Temperaturwechseln als auch Wachstumsspannungen können eine Gefahr für die Oxidschichten darstellen. Folglich wurden Modelle zu deren Berechnung in Duplex-Schichten entwickelt und angewendet. Im Falle eines reinen Druckspannungszustandes liefert die elastische Spannungsenergie vermutlich ein brauchbares Kriterium für die Vorhersage des mechanischen Versagens der Oxidschicht. Im Falle eines gemischten Spannungszustands (Zugspannungs- und Druckspannungs-Komponenten) ist ein solch einfaches Kriterium möglicherweise nicht ausreichend.

Experimentelle Beobachtungen zum mechanischen Versagen von Oxidschichten werden diskutiert, und zwar sowohl für Oxidschichten, die unter Gasatmosphäre, als auch für Oxidschichten, die im Flüssigmetall entstanden sind. Diese liefern uns Hinweise zum Schadensmechanismus und zum Spannungszustand. Eine wichtige Frage, die gelöst werden muss, betrifft die nach der Ursache des mechanischen Versagens, ob es nämlich allein durch Temperaturwechsel hervorgerufen wir oder ob es auch bei konstanter Temperatur durch Wachstumsspannungen verursacht werden kann.



VOLLTEXT

BIBLIOTHEK