Creep Fatigue Crack Growth in Advanced - ETH E

DISS. ETH NO. (23446)
Creep Fatigue Crack Growth in Advanced
Martensitic Turbine Steels
A dissertation submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. Sc. ETH Zurich)
presented by
Wentao Yan
M.Sc.RWTH
born on December. 03, 1985
citizen of China
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Edoardo Mazza, examiner
Dr. Stuart Richard Holdsworth, co-examiner
Prof. Dr. Kamran Nikbin, co-examiner
2016
Apple
Abstract
The aim of this research project is to investigate sub-critical crack growth behaviour under
creep-fatigue deformation conditions for advanced martensitic steam turbine rotor steels. The
tasks are approached by studies concerning (1) the mechanical characterization of cyclic
response and crack development; (2) the microstructural evolution as a result of creep-fatigue
loading and crack propagation; and (3) the assessment of various crack growth models
including new developments. The main focus is on short crack development for which a large
proportion of component lifetime is spent.
For short crack growth testing, two series of isothermal strain controlled creep-fatigue tests on
fully instrumented cylindrical specimens with shallow chordal crack starters have been
conducted for advanced 9%Cr and 10%Cr turbine rotor steels at 600°C and 625°C. Cyclic/hold
wave shapes involving a dwell period at peak strain in tension or compression have also been
performed with crack development being monitored by means of electrical potential drop
instrumentation. It is found that total strain range and hold period are the most influential factors
controlling crack development, and the accelerated crack growth rates for dwelled specimens
are caused by the effects of prior creep and strain enhanced oxidation damage ahead of the
crack tip.
Subsequently, extensive work on post-test microstructural examination has been carried out
by using optical microscopy and electron microscopy, and in particular the EBSD (electron
backscattering diffraction) technique. Samples from short-crack creep-fatigue crack growth
tests were systematically examined, with regard to the evolution of martensite morphology,
crack propagation path, oxide layer, micro-cracks, etc. It is found that microstructural evolution
took place during deformation, which was governed by the applied magnitude and duration of
creep-fatigue loading. The characteristic values of micro-grain diameter have been quantified,
and can be semi-empirically described as a function of crack depth, hold time and other testrelated parameters.
i
In order to rationalize crack growth behaviour under diverse testing conditions, various models
have been used to correlate different parameters with crack growth rates. The employed
models for short-crack creep-fatigue crack development are: (1) the fracture mechanics based
models ( K type and J type); (2) the model based on SEDF (strain energy density factor); (3)
the Tomkins model; and (4) the Skelton model (originating from Pineau). The SEDF model and
Skelton model appear to be more effective than the other models, especially in their capability
to incorporate the influence of hold periods. Similarities and differences between the evaluated
models are also discussed and suggestions are given with regard to their practical application.
More importantly, with the support of microstructural analysis, it is possible to partially
associate the acceleration of crack development to the change of micro-scale strengthening
sub-structures. By defining a microstructural condition parameter (e.g. related to micro-grain
diameter) and integrating it into the proposed crack growth models, the performance of crack
growth prediction can be improved.
With this study on mechanical characterization, microstructural characterization and candidate
crack growth models for short crack creep-fatigue experiments, a comprehensive view on the
materials properties and damaging mechanisms for the tested steels can finally be obtained.
The devised crack growth models can potentially improve the effectiveness of existing
assessment procedures for steam turbine components.
ii
Apple
Zusammenfassung
Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Untersuchung des unterkritischen Risswachstums in
hochentwickeltem martensitischem Turbinenläuferstahl unter Kriechermüdung. Dazu werden
(1) die Rissentwicklung und das Verhalten unter zyklischer Last charakterisiert, (2)
die Veränderung der Mikrostruktur als Folge von Kriechermüdung und Risswachstum
beschrieben und (3) verschiedene Risswachstumsmodelle bewertet, einschliesslich
Neuentwicklungen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung kurzer Risse, ein
Zustand, welcher einen Grossteil der Bauteillebensdauer einnimmt.
Zur Untersuchung des Verhaltens kurzer Risse wurden zwei dehnungskontrollierte isotherme
Versuchsreihen zum Kriechermüdungsverhalten an zylindrischen Proben von 9%Cr und
10%Cr Turbinenläuferstahl mit einem kurzen, geraden seitlichen Anriss bei 600°C und 625°C
durchgeführt. Zyklische Beanspruchungen mit Verweilzeit unter Zug oder Druck wurden
ebenfalls angewandt, wobei die Rissentwicklung über den Abfall des elektrischen Potentials
überwacht wurde. Man stellt fest, dass Gesamtdehnung und Haltezeit den grössten Einfluss
auf die Rissentwicklung haben und dass erhöhte Risswachstumsraten für Proben mit
Verweilzeit durch vorheriges Kriechen und dehnungsgeförderte Oxidationsschäden im Gebiet
vor der Rissspitze verursacht werden.
Anschliessend wurde umfangreich die Mikrostruktur untersucht, durch Licht- und
Elektronenmikroskopie, insbesondere auch mit EBSD (electron backscatter diffraction).
Proben aus Kriechermüdungsversuchen zum Wachstum von kurzen Rissen wurden
systematisch untersucht in Bezug auf die Entwicklung des Martensits, den
Rissausbreitungsweg, die Oxidschicht, Mikrorisse usw. Man findet, dass mikrostrukturelle
Gefügeänderungen während der Deformation durch Grösse und Dauer der Last während der
Kriechermüdung bestimmt werden. Die charakteristischen Werte des MikrokornDurchmessers wurden ermittelt, die halbempirisch als Funktion von Risstiefe, Haltezeit und
anderen Versuchsparametern beschrieben werden können.
iii
Um das Risswachstum bei variierenden Versuchsbedingungen zu erklären, wurden
verschiedene Modelle verwendet, damit die unterschiedlichen Parameter mit dem
Risswachstum in Beziehung gesetzt werden können. Die zur Untersuchung des
Kurzrissermüdungsverhaltens eingesetzten Modelle sind: (1) Die bruchmechanikbasierten
Modelle ( K - und J -Typ), (2) das auf dem SEDF (strain energy density factor) basierende
Modell (3) das Tomkins-Modell und (4) das Skelton-Modell (ursprünglich von Pineau). Das
SEDF- und das Tomkins-Modell scheinen effektiver als andere Modelle zu sein, insbesondere
wegen der Fähigkeit, den Einfluss der Halteperioden wiederzugeben. Ähnlichkeiten und
Unterschiede zwischen den untersuchten Modellen werden ebenfalls diskutiert, und es werden
Empfehlungen zur praktischen Anwendung gegeben.
Von Bedeutung ist vor allem, dass es durch die Analyse der Mikrostruktur möglich ist, die
Beschleunigung der Rissentwicklung teilweise mit der Veränderung der mikroskopischen
verfestigenden Strukturen in Verbindung zu bringen. Durch die Definition eines
mikrostrukturbasierten Schadensparameters (beispielsweise bezogen auf den MikrokornDurchmesser) und Einbeziehung in die vorgeschlagenen Risswachstumsmodelle kann die
Leistungsfähigkeit der Risswachstumsvorhersage erhöht werden.
Durch diese Studie über die mechanischen Eigenschaften, die Mikrostruktur und über die in
Frage kommenden Risswachstumsmodelle für Kriechermüdungsversuche mit kurzen Rissen
ist es endlich möglich, die Materialeigenschaften und Schädigungsmechanismen des
untersuchten Stahls umfassend in den Blick zu nehmen. Die entwickelten
Risswachstumsmodelle haben das Potential, die Leistungsfähigkeit der bisherigen
Beurteilungsverfahren für Komponenten von Dampfturbinen zu erhöhen.
iv

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