Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7232

Stresses in oxidizing tubes: An analytical solution of the stress-strain equations

H. Steiner, M. Heck, J. Konys

Abstract
When metallic components operate in aggressive environments their service life is, in general, determined by the presence of a protective surface film which acts as a barrier to the reactants. Large residual stresses can result from the volume changes due to oxidation, the so-called growth stresses. These stresses may lead to film cracking or spalling or both.

A visco-elastic model for the calculation of growth stresses in oxidizing tubes has been developed. It can deal with uniaxial and multi-axial oxidation strain tensors. Different oxidation modes like surface and interface oxidation as well as duplex scale formation are treated. It appears that even relatively small lateral oxidation strain components could have a considerable effect on the stress level in the tube.

A simplified version of the model has been applied to simulate the geometrical changes of Zry tube sections exposed to air having reached the break-away regime. We think that lateral oxidation strains were mainly responsible for the observed diameter increase.

Spannungen in oxidierten Rohren: Eine analytische Lösung der Spannungs-Dehnungsgleichungen

Zusammenfassung
Wenn metallische Komponenten in korrosiven Medien betrieben werden, wird ihre Lebensdauer im Allgemeinen durch das Vorhandensein von Schutzschichten bestimmt, da sie als Barrieren wirken. Durch die Volumenänderung aufgrund der Oxidation können sich im Material beträchtliche Spannungen aufbauen, die so genannten Wachstumsspannungen. Diese mechanischen Spannungen können zur Rissbildung in der Oxidschicht und sogar zu Abplatzungen derselben führen.

Zur Berechnung der Wachstumsspannungen in oxidierenden Rohren wurde ein visko-elastisches analytisches Spannungsmodell entwickelt. Es können dabei sowohl ein-axiale als auch mehr-axiale Spannungstensoren behandelt werden, desgleichen verschiedene Ausprägungen der Oxidation wie Oberflächen- und Grenzflächen-Oxidation sowie Bildung von Doppelschichten. Es ergibt sich, dass sogar relativ kleine Werte für die lateralen Komponenten des Oxidations-Tensors zu großen Spannungseffekten führen können.

Eine vereinfachte Version des Models wurde zur Berechnung der bei Hüllrohren aus Zry auftretenden Dehnungen angewandt, die unter Luft oxidiert wurden. Das Auftreten von lateralen Oxidations-Dehnungen war hierbei der entscheidende Effekt.

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