Fracture mechanical parameters for creep fatigue crack propagation

This thesis aims to identify different parameters which can describe the high temperature behaviour of a cracked component subject to cyclic loads. Examined material is the steel P91 and modified P91, which are a martensitic chromium steels mainly used within high-temperature heat exchangers on the inside of power plants. In order to characterize P91 and P91mod experimental tests have been performed at the reference temperature of 600 C applying alternate load. Results of this tests have been used to estimate creep reversal parameter CR from experimental and analytical points of view for each material. Creep reversal constant PR of the considered material, which is utilised in analytical approach, has been defined starting from the evolution in time of creep zone size and cyclic plastic zone size. New finite element model has been presented in order to simulate C(T) specimen behaviour during tests. A comparison between two material models implemented in simulations has been performed. The fist material model is a canonical model containing elasticity, time independent plasticity and creep. From this model simulated creep zone can be obtained. 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. Viscoplastic model allows to estimate creep reversal parameter. Advantages of new model and results that can be obtained from both material definitions are explained and analysed.

Questa tesi ha l’obbiettivo di identificare diversi parametri che possano descrivere il comportamento di un componente criccato soggetto a carichi ciclici in condizioni di alte temperature. Il materiale preso in considerazione è l’acciaio P91, il quale è un acciaio al cromo usato principalmente in scambiatori di calore ad alta temperatura di centrali elettriche. Al fine di definire le proprietà del P91 sono stati svolti dei test ad una temperatura di riferimento pari a 600 C applicando carichi alternati nel tempo. I risultati sono stati utilizzati per ottenere una stima del parametro CR da un punto di vista sperimentale e da uno analitico. La costante del material PR è stata definita consideranto l’evoluzione nel tempo della zona soggetta a creep e la zona di plasticità ciclica. Un nuovo modello ad elementi finiti è stato proposto per simulare il comportamento del provino C(T) durante i test. é stato fatto un confronto tra due due modelli di materiale utilizzati nelle simulazioni. Il primo modello del materiale è un modello canonico in cui sono presenti elasticità, plasticità non dipendente dal tempo e creep. Da questo modello è possibile simulare la zona soggetta a creep. 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. Da questo modello viscoplastico è possibile definire CR. Vantaggi del nuovo modello e i risultati ottenuti applicando i due modelli di materiale vengono descritti e analizzati