A study on a creep-fatigue crack growth behavior has been carried out for a cylindrical structure with weldments by using a structural test and an evaluation according to the assessment procedures. The creep-fatigue crack growth behavior following the creep-fatigue crack initiation has been assessed by using the French A16 procedure and the conservatism for the present structural test has been examined. The structural specimen is a welded cylindrical shell made of 316 L stainless steel (SS) for one half of the cylinder and 304 SS for the other half. In the creep-fatigue test, the hold time under a tensile load which produces the primary nominal stress of 45 MPa was one hour at $600^{\circ}C$ and creep-fatigue loads of 600 cycles were applied. The evaluation results for the creep-fatigue crack propagation were compared with those of the observed images from the structural test. The assessment results for the creep-fatigue crack behavior according to the French Al6 procedure showed that the Al6 is overly conservative for the creep-fatigue crack propagation in the present case with a short hold time of one hour.
At early stage of creep-fatigue crack growth tests, initial transient behavior which implies high crack growth rate has been generally observed by some researchers. Since the influence of the initial transient crack growth behavior on the remaining life of components is significant, cause of it should be further studied. In this study, characteristics of the initial transient behavior of 1Cr-1Mo-0.25V steel is studied experimentally by performing creep-fatigue crack growth tests at $538^{\circ}C$ in air under trapezoidal waveshapes. It is verified that the cause of the initial transient behavior is not high ${(C_t)}_{avg}$ values due to the small scale creep condition at the early stage of test, but oxidation-dominated crack growth mechanism during the transient period which is different from the creep-dominated crack growth mechanism in steady crack growth period.
An assessment of creep-fatigue crack behavior is required to ensure the structural integrity for high temperature components such as fast breeder reactor structures or thermal power plant components operating at an elevated temperature. In this study, an evaluation of creep-fatigue crack growth has been carried out according to the French assessment guide of the RCC-MR A16 for austenitic stainless steel structures. The assessment procedures for creep-fatigue crack growth in the recent version of the A16 (2007 edition) have been changed considerably from the previous version (2002 edition) and the material properties (RCC-MR Appendix A3) have been changed as well. The impacts of those changes on creep-fatigue crack growth behavior are quantified from the assessments with a structural model. Finally the assessment results were compared with the observed images obtained from the structural tests of the same structural specimen.
Creep-fatigue crack growth models have been proposed employing $(C_t)_{avg}$ as a crack tip parameter characterizing the time-dependent crack growth. The basic assumptions made in these previous models were ideal creep reversal conditions such as no creep reversal and complete creep reversal condition. Due to this assumption, the applicability of the models was limited since they did not consider partial creep reversal condition which is usually observed in many engineering metals at high temperature. In this paper the creep reversal parameter, Temperature;$C_R$, which was defined by Grover, is critically evaluated to quantity the extent of partial creep reversal at the crack tip. This approach does not rely on any simplifying assumptions regarding the extent of the amount of creep reversal during the unloading part of a trapezoidal fatigue cycles. It is shown that the $(C_t)_{avg}$ value calculated for 9Cr steel agrees well with the experimentally measured one. It is argued that the extent of improvement is not significant when the result is compared with that of the conventional model which has an assumption of full creep reversal behavior.
High temperature fatigue crack growth behavior of P92 and STS 316L steel were investigated under four load conditions using CT type specimens. Loading and unloading times for the low wave forms were combinations of 1 sec. and 50 sec., which were two symmetric wave forms and two unsymmetric wave forms. Their behaviors are characterized using ΔK parameter. In STS 316L, Crack growth rate generally increases as frequency decreases. However, sensitivity of the loading rate to crack growth rate was fecund to be far greater than that of the unloading time. It is because as loading time increases, creep occurs at crack tip causing the crack growth rate to increase. However creep does not occur at the crack tip even if the unloading time is increased. In P92 steel, crack growth rate showed same behavior as in STS 316L. But the increase in loading or unloading time made almost no difference in crack growth rate, suggesting that no significant creep occurs in P92 steel even though loading time increases. After conducting high temperature tensile tests and comparing high temperature fatigue crack growth rates under various wave forms, it was proved that P92 steel has not only good high temperature properties but also improved, better high temperature fatigue properties than STS 316L.
High temperature low cycle fatigue crack growth behavior is investigated over a range of two temperatures and various frequencies in SUS 304 stainless steel. It is found that low frequency and temperature can enhance time-dependent crack growth. With high temperature, low frequency and long crack length, ${\Delta}J_c/{\Delta}J_ f$, the ratio of creep J integral range to fatigue J integral range is increased and time-dependent crack growth is accelerated. Interaction between ${\Delta}J_f$ and ${\Delta}J_c$ is occured at high frequency and low temparature and ${\Delta}J_c$, creep J integral range is fracture mechanical parameter on transition from cycle-dependent to time dependent crack growth in creep temperature region.
Creep-fatigue crack growth behavior was experimentally measured particularly when a crack was located in the heat affected region of lCr-5Mo steel. Load hold times of the tests for trapezoidal fatigue waveshapes were varied among 0, 30, 300 and 3,600 seconds. Time-dependent crack growth rates were characterized by the $C_r$parameter. It was found that the crack growth rates were the highest when the crack path was located along the fine-grained heat affected zone(FGHAZ). Cracks located in other heat affected regions had a tendency to change the crack path eventually to FGHAZ. Creep-fatigue crack growth law of the studied case is suggested in terms of (da/dt)$_{avg}$ vs. ($C_t$)$_{avg}$ for residual life assessment.
High temperature materials in service are subjected to mechanical damage due to operating load and metallurgical damage due to operating temperature. Therefore, when designing or assessing life of high temperature components, both factors must be considered. In this paper, the effect of tensile hold time on high temperature fatigue crack growth and long term prior thermal aging heat treatment on creep rupture behavior were investigated using STS 316L and STS 316 austenitic stainless steels, which are widely used for high temperature components like in automotive exhaust and piping systems. In high temperature fatigue crack growth tests using STS 316L, as tensile hold time increased, crack growth rate decreased in relatively short tensile hold time region. In long term aged specimens, cavity type microcracks have been observed at the interface of grain boundary and coarsened carbide.
Creep-fatigue crack growth behavior was experimentally measured particularly when a crack was located in the heat affected region of 1Cr-0.5Mo steel. Load hold times of the tests for trapezoidal fatigue waveshapes were varied among 0, 30, 300 and 3,600 seconds. Time-dependent crack growth rates were characterized by the $C_t$-parameter. It was found that the crack growth rates were the highest when the crack path was located along the fine-grained heat affected zone(FGHAZ). Cracks located in other heat affected regions had a tendency to change the crack path eventually to FGHAZ. Creep-fatigue crack growth law of the studied case is suggested in terms of $(da/dt)_{avg}$ vs. $(C_t)_{avg}$ for residual life assessment.
본 연구에서는 프랑스의 RCC-MR A16 절차에 기초하여 Mod.9Cr-1Mo 강(ASME Grade 91) 구조의 크리프-피로 균열 개시 및 성장 평가법을 확장 개발하였다. 현재의 A16 지침은 오스테나이트 스테인리스강에 대해서만 크리프-피로 균열 개시 및 성장 평가법을 제시하고 있지만, 현재 초초임계(USC) 화력발전소는 물론 미래형 원자로 시스템의 구조재료로서 폭넓게 채택되고 있는 Mod.9Cr-1Mo 강에 대한 지침은 제시하지 않고 있다. 본 연구에서는 FMS(페리틱-마르텐사이트강)에 대한 크리프-피로 균열 개시 및 성장 평가법을 제시하고 있고, 구조물에 대한 크리프-피로 균열 거동 평가를 수행하였다. 평가결과는 구조시험을 수행한 결과 얻은 관찰 이미지와 비교하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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