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.