Cyclic plastic material behavior leading to crack initiation in stainless steel under complex fatigue loading conditions

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Cyclic plastic material behavior
leading to crack initiation in
stainless steel under complex
fatigue loading conditions

 Doctoral Thesis

 Author(s):
 Facheris, Giacomo

 Publication date:
 2014

 Permanent link:
 https://doi.org/10.3929/ethz-a-010108967

 Rights / license:
 In Copyright - Non-Commercial Use Permitted

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DISS. ETH NO. 21696

Cyclic plastic material behavior leading to crack initiation in stainless
            steel under complex fatigue loading conditions

                    A thesis submitted to attain the degree of

                   DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH

                               (Dr. sc. ETH Zurich)

                                   presented by

                              GIACOMO FACHERIS

           M. Sc. in Mechanical engineering, Politecnico di Milano, Italy

                                born on 10.08.1983

                                  citizen of Italy

                        accepted on the recommendation of

                       Prof. Dr. Edoardo Mazza (examiner)
                      Dr. Koenraad Janssens (co-examiner)
                      Prof. Dr. Lakhdar Taleb (co-examiner)

                                       2014

Summary

     The improvement of the reliability and of the safety in the design of components be-
longing to the primary cooling circuit of a light water nuclear reactor is nowadays one of
the most important research topics in nuclear industry. One of the most important damage
mechanisms leading the crack initiation in this class of components is the low cycle fatigue
(LCF) driven by thermal strain fluctuations caused by the complex thermo-mechanical load-
ing conditions typical for the primary circuit (e.g. operating thermal transients, thermal
stratification, turbulent mixing of cold and hot water flows, etc.). The cyclic application
of the resulting plastic deformation to the steel grades commonly used for the fabrication
of piping parts (e.g. austenitic stainless steels) is associated with a continuous evolution of
the mechanical response of the material. As an additional complication, the cyclic behavior
of stainless steels is influenced by temperature, strain amplitude and cyclic accumulation
of inelastic strain (i.e. ratcheting). The accurate prediction of the structural response of
components belonging to the primary cooling circuit requires the development of a reliable
constitutive model that must be characterized by a reduced complexity to allow its application
in an industrial context.
     In this framework, the main goal of the current dissertation is to formulate, calibrate
and implement in a commercial Finite Element code, a constitutive model that is suitable
for the stainless stain grade 316L subjected to complex loading conditions.
     As a first task, a characterization of the mechanical behavior of 316L subjected to uniaxial
and multiaxial strain-controlled conditions (including LCF and ratcheting) is carried out
performing several tests in the laboratories of the Paul Scherrer Institute (PSI, Villigen,
Switzerland) and of Politecnico di Milano (Italy). The uniaxial experiments demonstrate
that, prescribing a strain-controlled ratcheting path, a harder material response is induced
with respect to the equivalent uniaxial LCF test. An additional hardening is also noticed
in multiaxial tests, when a non-proportional loading history is imposed. The experimental
results show that this additional hardening is accompanied by a lifetime reduction.
     Further experiments are carried out to investigate the loading-rate influence on the mech-
anical response of the 316L under strain- and stress-control and to determine the necessity
to implement a time-dependent constitutive model.
     A set of interrupted tests has been also performed to retrieve samples suitable for the
characterization of the microstructural evolution of 316L subjected to ratcheting conditions.
The microstructural characterization has been carried out by means of a Transmission Elec-
tron Microscope (TEM) in a collaboration with the High Temperature Integrity Group at the
Swiss Federal Laboratories for Material Science and Technology (Empa, Dübendorf, Switzer-
land).
     The experimental observations reported in the first part of the current dissertation in-
spired the formulation of a novel constitutive law consisting in a modification of the well-
known Chaboche model. In this formulation named ’5DChabEP’, the model’s parameters
are not constant but are allowed to vary as a function of 5 internal variables. The proposed
constitutive model is implemented in the commercial Finite Element code ABAQUS and an

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Summary

automatized procedure is developed to calibrate the material parameters. The descriptive
and predictive capabilities of the constitutive model, coupled with an advanced multiaxial
damage criterion, are evaluated under several loading conditions using, as references, exper-
imental data and simulations performed by means of the original Chaboche formulation. In
general, the possibility to vary the material parameters as a function of a set of internal vari-
ables is found to be an extremely efficient approach to provide accurate stress calculations
and lifetime predictions enhancing significantly the performance of the original Chaboche
constitutive law.
     Finally, a sensitivity analysis is carried out to characterize the confidence bounds of the
output of the constitutive model and to identify the factors that are mostly responsible for
the uncertainty in the calculations. In this framework, the elementary effects (EE) method
is found to be the ideal tool to carry out, with a limited computational cost, a non-local
sensitivity analyses on three different case studies.

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Riassunto

     Il miglioramento della sicurezza e dell’affidabilità nella progettazione di componenti re-
lativi al circuito primario di raffredamento di un reattore nucleare ad acqua leggera è, ai
nostri giorni, uno degli argomenti di ricerca più importanti nel campo della ricerca nucleare.
     Il meccanismo di danneggiamento a fatica responsabile della nucleazione della cricca in
questa classe di componenti è generato dalle fluttuazioni della deformazione termica causate
dalle complesse condizioni di carico termo-meccaniche tipiche del circuito primario (transitori
operativi, stratificazione termica, miscelazione turbulenta di correnti d’acqua calde e fredde,
ecc.).
       L’applicazione ciclica della risultante deformazione plastica alle classi di acciaio comun-
emente utlizzate per realizzare le tubazioni del circuito primario (acciai inossidabili austen-
itici) è associata ad una continua evoluzione della risposta meccanica del materiale. Una
complicazione addizionale deriva dal fatto che il comportamento ciclico degli acciai austentici
è influenzato dalla temperatura, dall’ampiezza di deformazione e dall’accumulazione ciclica di
deformazione (ratcheting). L’accurata previsione della risposta strutturale, in componenti re-
lativi al circuito di raffreddamento primario, richiede lo sviluppo di un modello costitutivo af-
fidabile che abbia allo stesso tempo una complessità limitata in modo da consentirne l’utilizzo
in ambito industriale.
    In questo contesto, l’obiettivo primario di questa tesi è di formulare, calibrare e im-
plementare in un software commerciale ad elementi finiti, un modello costitutivo che sia
appropriato per l’acciaio austenitico di tipo 316L soggetto a complesse condizioni di carico.
      Per iniziare, la caratterizzazione del comportamento meccanico dell’acciaio 316L soggetto
a condizioni di carico uniassiale e multiassiale (comprendenti fatica oligociclica e ratcheting)
è stata portata a termine eseguendo numerosi test nei laboratori del Paul Scherrer Institute
(PSI, Villigen, Svizzera) e del Politecnico di Milano (Italia). Gli esperimenti uniassiali di-
mostrano che, imponendo una sollecitazione di ratcheting in controllo di deformazione, viene
indotta una risposta del materiale più dura rispetto a quella misurata in un normale test di
fatica. Un indurimento addizionale è osservato anche nelle prove multiassiali, nel caso venga
imposta una storia di carico non proporzionale. I risultati sperimentali mostrano che questo
indurimento addizionale è accompagnato da una riduzione della vita a fatica.
    Altri esperimenti sono stati eseguiti con il fine di investigare la dipendenza della risposta
meccanica dell’acciaio 316L rispetto alla velocità con cui viene applicato il carico in modo da
determinare se vi sia la necessità di implementare un modello costitutivo con dipendenza dal
tempo.
     Un’ulteriore serie di esperimenti è stata eseguita interrompendo le prove in modo da
ottenere campioni adatti per la caratterizzazione dell’evoluzione della microstruttura dell’acciaio
316L soggetto a ratcheting. La caratterizzazione della microstruttura è stata eseguita grazie
all’utilizzo di un microscopio elettronico a trasmissione (TEM) in una collaborazione con il
gruppo High Temperature Integrity presso i Laboratori Federali Svizzeri per la Scienza e la
Tecnologia dei Materiali (Empa, Dübendorf, Svizzera).

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Riassunto

      Le osservazioni sperimentali riportate nella prima parte della tesi hanno ispirato la for-
mulazione di una legge costitutiva innovativa che consiste in una versione modificata del
famoso modello di Chaboche. In questa formulazione chiamata ’5DChabEP’, i parametri del
modello non sono costanti ma possono variare in funzione di 5 variabili interne. Il modello
costitutivo qui proposto è stato implementato nel software commerciale ad elementi finiti
ABAQUS insieme ad una procedura automatica per la calibrazione dei parametri. La capa-
cità descrittiva e predittiva del modello costitutivo, unitamente ad un criterio avanzato per
la determinazione del danno accumulato, è stata valutata considerando svariate condizioni
di carico e usando come riferimento dati sperimentali e simulazioni eseguite con la versione
originaria del modello di Chaboche.
      In generale, la possibilità di variare i parametri del modello in funzione delle variab-
ili interne risulta essere un approccio estremamente efficace al fine di fornire un’accurata
valutazione degli sforzi e della vita a fatica migliorando la prestazione del modello di Chaboche
nella sua forma originaria.
     Infine, un’analisi di sensitività è stata eseguita con il fine di caratterizzare l’intervallo di
confidenza degli output del modello costitutivo e in modo da identificare quali siano i fattori
responsabili dell’introduzione di una maggiore incertezza nei calcoli. In questo contesto, il
metodo degli Effetti Elementari si è rivelato essere lo strumento ideale per portare a termine,
con un costo computazionale limitato, una serie di analisi di sensitività su tre diversi casi di
studio.

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