Environmentally assisted cracking - · PDF fileIntegridad Estructural, 2010-11 Master...
Transcript of Environmentally assisted cracking - · PDF fileIntegridad Estructural, 2010-11 Master...
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES
Environmentally assisted cracking
Jesús Ruiz Hervías
Associate ProfessorMaterials Engineering Department
Civil Engineering SchoolTechnical University of Madrid, UPM
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES 2
SUMMARY
•
Introduction•
SCC –
stress state
•
Corrosion
fatigue•
Corrective
actions
•
Example
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES 3
INTRODUCTION
•
SCC: cracking
in aggressive
environments
under static
loads
•
C-F: cracking
in aggressive
environments
under cyclic
loads
•
Key problem: loads
much
lower
than
elastic
limit•
Importance: cracking
of
bridges, pipes, nuclear
components…
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES 4
INTRODUCTION
•
Evidence: small
loads, not
too
aggressive environments
(season
cracking, H embrittlement)
•
SCC: load + environment
+ susceptible material–
Both
effects
cannot
produce cracking
separately
–
Scientic
and
technological
aspects
not
solved
•
SCC and CF: main
cause of
failure
in structures
Environment
StressMetallurgy
SCC FACTORS
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES
INTRODUCTION
5
(M. Elices, Mecánica de la Fractura)
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES 6
INTRODUCTION
•
Corrosion types
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES 7
INTRODUCTION
•
SCC: different micromechanisms–
Intergranular
fracture
–
Transgranular
fracture
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES 8
INTRODUCTION
•
Intergranular SCC–
Crack propagates
along
grain
boundaries
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES 9
INTRODUCTION
•
Transgranular SCC–
Crack propagates
inside
grains
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES 10
INTRODUCTION
Pressurized Water Reactor
Reactor’s pressure vessel typically housed in 8”
of steel
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES 11
INTRODUCTION
Pressure vessel steel
Irradiation Assisted Stress Corrosion Cracking (IASCC) Radiation + Stress + Environment
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES 12
INTRODUCTION
Gas and liquid pipelines
•
Two ruptures in 1995
•
Evidence SCC widespread on both gas and liquid pipelines
•
Since 1977 -
22 failures
–
12 ruptures, 10 leaks
National
Energy
Board, Canada
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES
SCC –
STRESS STATE
13
•
Most
important
phenomena: most stressed
zone
–
Crack tip: Fracture Mechanics techniques
(KI
)
•
Experiments: failure time vs. KI–
SCC threshold: KISCC
–
Interval KISCC to
KIC : susceptibility range
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES
SCC –
STRESS STATE
14
•
Experiments: crack growth
rate
vs. KI –
Quantify SCC life
–
Understand crack growth mechanisms
I and III: stress controlThreshold: KISCCFracture: KIC
II: Plateau, control by chemical process
Electrochemical parametersMaterial
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES
SCC –
STRESS STATE
15
da/dt
vs. KI in a Ti alloy
in Hydrogen
Zone II, influence of:• Material• Environment
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES
SCC –
Stress state
16
•
Zone
I: propagation
threshold, KISCC–
Tests with
positive geometries: 0K
a∂
>∂
1.12IK aσ π=
Crack, a
σ
σ
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES
SCC –
STRESS STATE
17
•
Zone
I: propagation
threshold, KISCC–
Tests with
negative
geometries: 0K
a∂
<∂
3/2
2
34IEH uK
a=
In this
caseu=constant
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES
SCC –
STRESS STATE
18
•
Crack propagation: (+) and
(-) geometries
0Ka
∂<
∂
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES
SCC –
STRESS STATE
19
•
Example
of
different
geometries
2 2
2 3
3
3
12
8
a FGEB Ha Fu
EBH
=
=
( )3/2
1/23/2 2
2 3 34I
aF EH uK GEBH a
= = =
3/2
2 3 0IK Fa BH
∂= >
∂
3/2
3
3 02
IK EH ua a
∂= − <
∂
(+) geometry (-) geometry
Load control Displacement control
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES
CORROSION FATIGUE
20
True
Corrosion-fatigue Fatigue -
SCC IntermediateFatigue-SCC
•
Corrosion-fatigue types
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES
CORROSION FATIGUE
21
Frequency: the
lower the
value, the
higher
the
crack growth
rate
•
Factors: mechanical
load
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES
CORROSION FATIGUE
22
Waveform: the
rising part
of
the
waveform
has the
largest influence
on
crack
growth
rate
•
Factors: mechanical
load
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES
CORRECTIVE ACTIONS
23
•
Modification:•
Environment
•
Material•
Reduction of mechanical load
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES
CORRECTIVE ACTIONS
24
•
Surface protection:•
Paintings
•
Chromium/Nickel
plating•
Carburation/nitruration
•
Introduction of compressive residual stresses:•
Cold rolling
•
Shot
peening•
Laser
shock processing
•
Carburation/nitruration
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES
CORRECTIVE ACTIONS
25
•
Shot peening:•
Impact
at the
surface
•
Compressive
residual stresses
below
surface
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES
CORRECTIVE ACTIONS
26
•
Shot peening:•
Improvement
of
fatigue life
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES
REFERENCES
•
Elices, M. Mecánica de la Fractura. ETSI Caminos. Universidad Politécnica de Madrid, 1998
•
Broek, D. The
Practical
Use of
Fracture Mechanics, Kluwer, 1988
27
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES
EXAMPLE
28
•
SCC – fatiga–
Fatiga (R=0.2, 0.5 Hz): calcular velocidad propagación grietas por corrosión fatiga (mm/ciclo):
•
ΔK=3 MPam0.5
•
ΔK=10 MPam0.5
•
ΔK=20 MPam0.5
•
Nota: si KImax
>KISCC → (da/dn)cf
= (da/dn)f+ (da/dn)scc•
Fatiga: da/dN(mm/ciclo)=4·10-9(ΔK)3, ΔK (MPam0.5)
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES
EXAMPLE
29
•
SCC – fatiga
SCC
Fatiga
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES
EXAMPLE
30
max minK K KΔ = −
min
max
KRK
=max 1
KKR
Δ=
−
0
1ISCCKKR
Δ=
−
( )0 1 ISCCK R KΔ = −0.5
0 0.8 5 4K MPamΔ = ⋅ =
0.5301
CIC
KK MPamR
Δ= =
−0.524CK MPamΔ =
Integridad Estructural, 2010-11Master Universitario en INGENIERÍA DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES
EXAMPLE
31
0.51 03K MPam KΔ = < Δ
( ) 71 1.08 10 /mda A K mm c
dN−= Δ = ⋅
0.52 010K MPam KΔ = > Δ
0.53 020K MPam KΔ = > Δ
( )21m
SCC
da daA KdN dt ν
⎛ ⎞= Δ + ⎜ ⎟⎝ ⎠
6 6 514 10 3 10 10 /0.5
da mm cdN
− − −= ⋅ + ⋅ =
5 6 513.2 10 3 10 3.8 10 /0.5
da mm cdN
− − −= ⋅ + ⋅ = ⋅