High temperature fatigue crack growth in chromium steel for power plants components

This thesis aims to identify and implement within a finite element environment two material models able to represent the high temperature behaviour of a cracked component subject to static or cyclic loads. Examined material is the martensitic steel P91, which is a chromium steel mainly used within high-temperature heat exchangers on the inside of Rankine-cycle power plants. In order to characterize P91, several test have been performed at the reference temperature of $ \SI{600}{\celsius} $. Results of this tests have been used to compare simulated data with experimental one. The fist material model is a canonical model containing elasticity, time-independent plasticity and creep. This model, if coupled to a proper damage mechanism, is able to predict the crack propagation. An investigation of the parameters of this damage mechanism is done in order to represent in the most accurate way the damaging phenomena. In this way, we are able to simulate correctly crack propagation within a C(T) specimen. The latter material model is based on unified viscoplastic theory, in which viscous strain and time-independent plastic one are joined together in a unique inelastic term. The capability of this model to represent all the characteristic feature involved in CCG and CFCG has been proved.

Questa tesi si pone come obiettivo l’identificazione e l’implementazione all’interno di simulazioni ad elementi finiti di due modelli di materiale in grado di rappresentare il comportamento alle alte temperature di un componente criccato soggetto a carichi statici o ciclici. Il materiale esaminato è l’acciaio martensitico P91, il quale è un acciaio al cromo usato principalmente in scambiatori di calore ad alta temperatura di centrali elettriche basate sul ciclo Rankine. Per poter caratterizzare il materiale, numerosi test sono stati effettuati alla temperatura di riferimento di 600 gradi centigradi. I Risultati di questi test sono stati utilizzati per confrontare i dati simulati con quelli sperimentali. Il primo modello del materiale è un modello canonico in cui sono presenti elasticità, plasticità non dipendente dal tempo e creep. Questo modello, se accoppiato ad un opportuno meccanismo di danneggiamento, è in grado di predire la propagazione della cricca. Una diserzione sui parametri di questo meccanismo di danneggiamento è stata fatta così da rappresentare nella maniera più accurata il meccanismo di danneggiamento. In questo modo, siamo quindi in grado di simulare correttamente la propagazione della cricca all’interno di un provino C(T). Il secondo modello di materiale è basato sulla teoria viscoplastica unificata, in cui la deformazione viscosa e quella plastica vengono unite in un unico termine inelastico. La capacità di questo modello di rappresentare correttamente le caratteristiche di CCG e CFCG è stata verificata.