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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