Untersuchungen zum Einfluss der dynamischen Reckalterung auf die mediumgestützte Risskorrosion von niedriglegierten Stählen in sauerstoffhaltigem Hochtemperaturwasser

Abstract

Die dynamische Reckalterung kann das plastische Verformungsverhalten von entsprechend anfälligen un- und niedriglegierten Stählen erheblich beeinflussen. Im Zwischengitter niedriglegierter Stähle gelöste Kohlenstoff- und Stickstoffatome verändern sowohl im Grundwerkstoff als auch im Schweißzusatzwerkstoff die mechanischen Kennwerte wie Festigkeit und Duktilität in Abhängigkeit von der Temperatur und der Dehnrate in der Weise, dass es unter bestimmten Kombinationen aus Temperatur und Dehnrate zu einer lokalisierten Verfestigung aufgrund der Begünstigung von planaren Gleitprozessen kommt. Hierdurch werden makroskopisch gemessene Festigkeitskennwerte angehoben, und gleichzeitig die Duktilität der Werkstoffe reduziert.

An verschiedenen niedriglegierten Stählen für druckumschließende Komponenten von Kernkraftwerken wurde daher das plastische Verformungsverhalten hinsichtlich des Einflusses der dynamischen Reckalterung auf eine Festigkeitssteigerung mit gleichzeitiger Reduzierung der Duktilität und insbesondere die Lokalisierung der Dehnung in langsamen Zugversuchen unter entsprechend kritischen Parametern untersucht. Zunächst wurden die Werkstoffe auf Basis mechanischer Werkstoffprüfungen in weniger und stark gegen dynamische Reckalterung anfällige niedriglegierte Stähle eingeteilt, und Bewertungskriterien für dynamische Reckalterung abgeleitet. Die Reckalterungsempfindlichkeit niedriglegierter Stähle ist jedoch wegen unterschiedlichem Gehalt an interstitiellem Stickstoff im Gitter nicht nur werkstoffabhängig sondern kann auch chargenabhängig sein, weshalb nicht von einer grundlegenden Anfälligkeit von warmfesten Feinkornbaustählen der Kraftwerkstechnik gegen dynamische Reckalterung auszugehen ist.

Für mikrostrukturelle Untersuchungen der Dehnungslokalisierung wurden Gefügezustände verschiedener plastischer Dehnungen erzeugt und anschließend hinsichtlich lokaler Verformung analysiert. Hierbei wurde die EBSD-Methode zur Analyse lokaler Dehnungen im Werkstoffgefüge und der sich bildenden Kleinwinkelkorngrenzen herangezogen. Mittels dieser Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die auf Basis von mechanischen Versuchen als gegen dynamische Reckalterung stark anfällig eingestuften Werkstoffe eine ausgeprägte lokalisierte Verformung aufweisen und somit die auf einzelne Gleitebenen kumulierte Dehnung vergleichsweise hohe Beträge annimmt.

Ferner wurden anhand verformter Oberflächen die Gleitstufenhöhe bzw. die Rauhigkeit und Welligkeit von Gleitstufen analysiert. Diese Untersuchungen zeigen, dass die Gleitstufenhöhe, bei entsprechend hoher Reckalterungsanfälligkeit der Werkstoffe und plastischer Verformung unter kritischen Verformungsparametern (Temperatur und Dehnrate), im Bereich der Dicke bzw. größer als gebildete oxidische Deckschichten aus Magnetit auf niedriglegiertem Stahl in sauerstoffhaltigem Hochtemperaturwasser (z.B. an einer Rissspitze) ist. Daraus ist zu schließen, dass bei entsprechender Anfälligkeit eines Werkstoffs gegen dynamische Reckalterung von einer Begünstigung von lokalen Verletzungen der oxidischen Deckschichten in sauerstoffhaltigem Hochtemperaturwasser z.B. im Bereich einer aktiven Rissspitze ausgegangen werden muss. Dies wiederum kann zur Triggerung korrosiver Metallauflösung an Rissspitzen niedriglegierter Stähle in sauerstoffhaltigem Hochtemperaturwasser und somit zu kontinuierlichem Risswachstum mit beschleunigter Risswachstumsrate unter konstanter Belastung bei vergleichsweise niedrigen Spannungsintensitätsfaktoren mit entsprechend kritischer Dehnrate an der Rissspitze führen.

Ebenso kann hinsichtlich Rissinitiierung bei dynamischer Reckalterung an glatten Oberflächen aufgrund lokaler Verformung von einer bevorzugten Rissinitiierung an niedriglegierten Stählen in sauerstoffhaltigem Hochtemperaturwasser im Bereich von Gleitlinien ausgegangen werden, sofern es durch dynamische Reckalterung zur Bildung von hohen Gleitstufen und damit zur lokalen Verletzung der oxidischen Schutzschicht kommt. Daher ist die Anfälligkeit gegen dynamische Reckalterung als weiterer wichtiger Werkstoffparameter für die Bewertung und Diskussion mediumgestützter Risskorrosion niedriglegierter Stähle in sauerstoffhaltigem Hochtemperaturwasser anzusehen. Für das mediumgestützte Risswachstum niedriglegierter Stähle in sauerstoffhaltigem Hochtemperaturwasser ist die dynamische Reckalterung keine notwendige Einflussgröße, begünstigt aber bei stark reckalterungsempfindlichen Werkstoffen die Rissbildung an glatten Oberflächen und das mediumgestützte Risswachstum. Für korrosionstechnische Bewertungen niedriglegierter Konstruktionswerkstoffe in sauerstoffhaltigem Hochtemperaturwasser ist sie daher von entscheidender Bedeutung und sollte stets berücksichtigt werden.

The plastic deformation of low-alloy steels is significantly influenced by their individual susceptibility to dynamic strain ageing. Interstitial atoms of N or C in the steel matrix can change the mechanical properties like ductility and strength by interaction with moving dislocations during plastic deformation. The degree of DSA is depending on temperature and strain rate during plastic deformation. Under critical parameter combinations strength increases while ductility decreases. Furthermore, the interaction of dislocations and interstitial atoms can lead to a localization of plastic deformation which results in planar gliding processes. Slip bands in LAS heats with a high susceptibility to DSA show significantly higher slip steps during plastic deformation as compared to heats with low susceptibility to DSA. Since the basic mechanism of environmentally assisted cracking of LAS in high-temperature water is slip-step-dissolution, slip behavior is of crucial nature for the kinetics of crack initiation and crack growth. Therefore, a program concerning deformation behavior, slip characterization regarding distribution and size, and behavior in high-temperature water environment was performed.

Analyses of slip steps by advanced techniques for surface morphology investigation showed that the maximum height of slip steps is in the range of freshly formed magnetite layers on LAS in oxygenated HTW. This supports the active effect of localized deformation on EAC in heats of high susceptibility to DSA.

The exposure to oxygenated HTW with additional mechanical loading under critical combinations of temperature and strain rate of LAS with high, intermediate and low DSA susceptibility in Slow Strain Rate Tensile Tests showed preferential crack initiation in the areas of coarse slip bands due to localized deformation. Furthermore, a continuous transition of the corrosion potential to negative values was observed during the SSRT test which is obviously caused by a higher rate of oxide rupture compared to the rate of repassivation in LAS with higher DSA susceptibility. Thus, it is concluded that crack initiation on smooth surfaces with subsequent crack advance will preferentially occur if LAS have a high degree of DSA susceptibility. Finally, the processes of crack initiation and crack growth depending on the effect of DSA are discussed based on the slip-step dissolution model.