Valutazione degli effetti dell ossidazione sulle caratteristiche a creep di acciai

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1 Vlutzione degli effetti dell ossidzione sulle crtteristiche creep di ccii E. Grioldi Il lvoro present ed pplic lcuni semplici modelli per vlutre l effetto cominto dell ossidzione cldo e delle crtteristiche creep su componenti strutturli opernti d elevt tempertur. Tli modelli utilizzno dti reltivi i tempi rottur o l esponente dell legge di potenz che descrive l fse di creep secondrio. I modelli sono stti pplicti due ccii con diverse crtteristiche creep e ossidzione cldo, i grdi X10CrMoVN9 (P91) e 11CrMo9-10 (P22). Sono stti così esminti gli effetti dell dimensione dei provini sull riduzione delle durte creep in miente ossidnte. I modelli sono poi stti utilizzti per stimre i tempi rottur in miente inerte (condizione ll qule possono essere ssimilti componenti mssivi) prtire d dti ottenuti in prove di creep eseguite in ri, in presenz di ossidzione. Le diverse previsioni sono stte confrontte e discusse. Prole chive: ossidzione, creep, modellizzzione, cciio X10CrMoVN9 (P91), cciio 11CrMo9-10 (P22) INTRODUZIONE L interzione di un metllo con l miente circostnte, d elevt tempertur, può provocre lterzioni microstrutturli nche profonde. L formzione di ossidi è un frequente risultto di tle interzione [1], le cui conseguenze per gli elementi strutturli opernti d elevte temperture possono essere di diverso tipo. Innnzitutto l formzione di uno strto di ossido, vente crtteristiche meccniche differenti d quelle del metllo, lter quelle del componente sul qule si ccresce. In seguito vrizioni dello stto di sforzo e dell tempertur del componente o ll progressiv deformzione per scorrimento viscoso (creep) di questo, può verificrsi l formzione di fessurzioni nell ossido, che in genere si comport in modo frgile e non è in grdo di seguire l deformzione del metllo sottostnte [2]. L fessurzione dello strto di ossido, ll qule può ccompgnrsi il fenomeno dell scglitur, può condurre infine nche d inneschi di cricche che si propgno nel metllo [2]. L cinetic di crescit dello strto di ossido viene definit fcendo riferimento ll evoluzione temporle dell incremento di peso di un cmpione o dello spessore dello strto di metllo perso cus del processo di ossidzione. Sull se delle relzioni esistenti tr questi prmetri ed il tempo si definiscono delle semplici leggi di crescit linere, prolic, cuic, logritmic. Sono nche possiili condizioni di crescit più complesse o cominzioni dei csi semplici elencti in precedenz. Senz pprofondire l rgomento, è chiro che ogni tipo di crescit è legt d un meccnismo di ossidzione. Frequentemente, nell vlutzione degli effetti ossidtivi di ccii per impieghi strutturli d elevt tempertur, viene considert l perdit di metllo con crescit prolic, descritt dll seguente equzione: (1) dove x è lo spessore di metllo perso seguito dell ossidzione (mm), t il tempo (h) e K p è un costnte, dipendente E. Grioldi Diprtimento di Meccnic, Politecnico di Milno Memori presentt l seminrio sull Evoluzione dei mterili per componenti soggetti creep, Milno, 22 ottore 2003 dll tempertur, indict come velocità di perdit di metllo (mm 2 /h). Per gli stessi mterili, l ossidzione si mnifest nche in componenti soggetti creep in miente ossidnte. Questo può essere costituito d esempio dll ri in prove sperimentli per definire le crtteristiche creep di un mterile, o il vpore per componenti opernti in impinti per l generzione di energi con cicli vpore. L riduzione dell sezione resistente metllic per l formzione di strti di ossido provoc l ccelerzione dell deformzione per creep, con riduzione dei tempi di rottur rispetto quelli generti in condizioni di prov in cui si ssente quest form di interzione metllo-miente. Qundo, come frequentemente verificto nell prtic, lo strto di ossido h spessore trscurile rispetto quello del componente o del provino, l su presenz dipende sostnzilmente dl tempo t di permnenz ll tempertur T m non dll geometri del componente. Tuttvi, minore è l dimensione dei cmpioni, mggiore è l importnz reltiv dell riduzione di sezione resistente metllic e mggiori srnno le differenze tr le durte creep in miente inerte ed ossidnte. L riduzione di durt creep è sempre più evidente ll umentre dei tempi rottur e dell velocità di ossidzione (in generle legt l mterile ed ll tempertur), l diminuire dell sezione resistente. Un esempio trtto d lettertur reltivo ll effetto di quest ultimo fttore, espresso in termini di dimetro di provini cilindrici, sui tempi rottur, è riportto in figur 1, mentre in figur 1 viene presentt un frttogrfi esemplifictiv dell presenz di ossidi su un provino di creep dello stesso mterile [3,4]. Alcuni lvori in lettertur descrivono gli effetti dell interzione metllo/miente (in prticolre dell ossidzione) sulle prestzioni creep di mterili e propongono diversi modelli per l loro vlutzione [2-7]. Le ppliczioni di questi modelli sono molteplici. Se in cmpo sperimentle essi permettono di individure in quli cmpi di tempo e tempertur l effetto dell ossidzione è trscurile ed i risultti delle prove sono ssimilili quelli ottenuti in miente inerte, in cmpo progettule i modelli costituiscono uno strumento per ricostruire il comportmento dei componenti mssivi vendo disposizione dti derivnti d prove eseguite in miente ossidnte (tipicmente in ri). Un serie di modelli inserisce l effetto dell ossidzione in equzioni che definiscono il comportmento viscoplstico del mterile, includendo le descrizioni delle fsi di creep primrio, secondrio e terzirio. L presenz di ossidzione l metllurgi itlin 19

2 Fig. 1 ) Rpporto tr tempo rottur in ri rispetto tempi rottur in miente inerte l vrire del dimetro di provini in cciio 14MoV6-3 [3]. ) Frttogrfi di un cmpione di creep di cciio 14MoV 6 3 di dimetro 4.5 mm (T=923K, σ=60mp), con evidente strto esterno di ossido [4]. Fig. 1 ) Creep rupture time in ir to creep rupture time in inert environment rtio vs. creep specimen dimeter in 14MoV6 3 steel [3]. ) Representtive frcture surfce of creep specimen of dimeter 4.5 mm mde of 14MoV6-3 steel (T=923K, σ=60mp), clerly showing the externl oxide lyer [4]. viene inserit in essi sostituendo ll sollecitzione presente in ssenz di ossidzione quell effettiv cust dell perdit di uno strto esterno di metllo. Un esempio riportto d Roy ed ltri [7] per il cso di ccii l Cr-Mo-V. Questi modelli consentono un descrizione degut dell inter curv di creep in presenz di ossidzione m richiedono l conoscenz di un serie di prmetri del mterile non sempre ricvili di dti sperimentli disposizione, specilmente d quelli rigurdnti prove lungo termine. Per un degut descrizione del comportmento in presenz di ossidzione, nche l cinetic di questo processo dovree essere modellt ccurtmente, d esempio considerndo l effetto dell deformzione del sustrto di metllo. Il presente lvoro si propone di presentre ed pplicre lcuni modelli più semplici per vlutre l effetto dell ossidzione sulle crtteristiche creep. Tli modelli utilizzno dti reltivi i tempi rottur o l esponente dell legge di potenz che descrive l fse di creep secondrio. Si propone inoltre di confrontre le previsioni del comportmento creep di componenti mssivi prtire d dti reltivi prove eseguite in miente ossidnte. MODELLI ESAMINATI Tr i vri modelli proposti in lettertur, ne vengono considerti lcuni di semplice ppliczione si per l vlutzione dell effetto del dimetro dei provini sull vit creep che per l previsione dell vit di mterile non ossidto prtire d dti sperimentli ottenuti in miente ossidnte. I modelli esminti si sno su un serie di ipotesi comuni. L prim ipotesi è che l interzione metllo-miente i come effetto l sol formzione di uno strto di ossido che si ccresce provocndo un perdit di metllo. L second ipotesi è che lo strto di ossido formtosi non si in grdo di reggere sforzi di trzione. In un prov di creep unissile in trzione il crico è dunque sopportto dl solo metllo, e l sezione resistente coincide con l sezione resistente metllic. Un terz ipotesi è che, in ssenz di ossidzione, il mterile poss essere considerto soggetto sforzo costnte (σ o ). In cmpo sperimentle ciò corrisponde fr riferimento prove in cui l incremento di sforzo legto ll llungmento del provino si compensto medinte un riduzione del crico pplicto. Quest ipotesi può tuttvi essere considert vlid per prove crico costnte in cui si ino deformzioni contenute. Infine, lo spessore di metllo perso per ossidzione (x) viene ipotizzto essere trscurile rispetto ll dimensione del componente/provino ossidto. Nelle ipotesi sopr citte l sollecitzione pplict l provino in presenz di uno strto di ossido (σ ox ) è pri : (2) Nel cso di provini con trtto utile cilindrico di rggio r in quest condizione l sezione resistente A ox è definit come: (3) Tre modelli verrnno qui confrontti: quello proposto d Borggreen [3-4], quello previsto in un normtiv dell ex Repulic Democrtic Tedesc [8] ed infine un semplice modello che inserisce il progredire dell ossidzione in un mterile che si deform per solo creep secondrio. Ai modelli si frà riferimento in seguito rispettivmente come i modelli di Borggreen, DDR e semplificto. I tre modelli possono essere pplicti mterili con differenti cinetiche di crescit dell ossido. Nei presente rticolo tuttvi si frà riferimento l legge di perdit di metllo di tipo prolico, descritt nell equzione (1). Modello Borggreen Il modello proposto d Borggreen semplific l trttzione dell presenz di uno strto di ossido considerndolo con spessore costnte, pri quello formtosi in seguito ll permnenz ll tempertur T per un tempo t r. Sotto quest ipotesi il mterile in miente ossidnte è considerto soggetto d un sollecitzione costnte σ BORG, mggiore rispetto quell in ssenz di ossidzione, σ 0. Di risultti di un prov effettut in miente ossidnte sollecitzione σ 0 e tempo rottur tr è possiile fre un previsione sul comportmento del mterile non ossidto, correlndo il tempo rottur tr con un sollecitzione mggiore σ BORG. Nelle sue puliczioni [3-4] Borggreen definisce le crtteristiche creep del mterile utilizzndo un (4) 20 l metllurgi itlin

3 proporzionlità invers tr il tempo rottur e l velocità di deformzione ( su volt correlt con legge di potenz ll sollecitzione), ottenendo dunque l seguente correlzione tr i tempi di rottur in miente inerte ed in miente ossidnte: Modello DDR Questo modello, differenz del precedente, correl in miente inerte il tempo rottur t r con un sollecitzione σ DDR medi tr quell inizile σ 0 e quell sox corrispondente llo spessore x di perdit di metllo reltivo l tempo t r. σ DDR viene clcolt come: Modello semplificto Il modello semplificto è qui presentto per l su semplicità e per l esiguo numero e l fcile reperiilità dei prmetri del mterile necessri, rispetto d ltri modelli in cui lo strto di metllo perso viene inserito nelle equzioni che definiscono il comportmento viscoplstico del mterile. Alle ipotesi comini i tre modelli si ggiunge quell di mterile che si deform per solo creep secondrio con correlzione per legge di potenz tr le velocità di deformzione e l sollecitzione effettiv presente: dove B=B(T). In presenz di uno strto di ossido σ eff = σ ox. Si può così descrivere l umento dell velocità di deformzione legto ll progressiv perdit di sezione resistente: Integrndo in funzione del tempo si ottiene l curv di creep del mterile in presenz di progressiv ossidzione. (9) Applicndo l ultim ipotesi di questo modello, quell di deformzione rottur (ε r ) costnte, è possiile prevedere il tempo di rottur in ssenz di ossidzione. L ipotesi è chirmente semplifictiv in qunto l duttilità del mterile, già dipendente dlle condizioni di sforzo e tempertur, si può modificre in presenz di ossidzione [4]. Questo modello viene pplicto in mnier divers rispetto i due visti in precedenz. Anziché clcolre lo sforzo l qule un provino non soggetto d ossidzione rggiunge l rottur per un dto tempo di rottur t r, si correl il tempo (5) (6) (7) (8) rottur in miente inerte (t r,inerte ) con quello in presenz di ossidzione (t r ), pri sollecitzione (e velocità di deformzione) inizili, oltre che pri deformzione rottur: (10) Si osservi che, seene si si ipotizzto che l rottur vveng l rggiungimento di un deformzione (ε r ) e che il mterile si deformi per legge di potenz (equzione 7), il tempo rottur in miente inerte può essere clcolto prtire dl tempo di rottur in presenz di ossidzione utilizzndo come sol crtteristic creep del mterile l esponente n dell legge di potenz. MATERIALI Tr gli ccii per impieghi strutturli d elevte temperture negli impinti per l generzione di vpore in cui l presenz dell ossidzione può vere un ruolo non trscurile in tempi medio-lunghi, diversi contengono cromo e sono frequentemente suddivisi in se l tenore di questo elemento, che in generle miglior si l resistenz creep che d ossidzione [9,10]. Per vlutre l effetto cominto di creep ed ossidzione sono stti considerti due ccii esemplifictivi: il primo del gruppo di ccii ferritici l 9Cr1Mo, l cciio X10CrMoVN9-1 ed il secondo l 2 1 / 4 Cr1Mo, il grdo 11CrMo9-10 (rispettivmente grdo P91 e P22 nell normtiv ASTM A335). Tr i due ccii, quello con mggior tenore di cromo comin migliori resistenze creep e ll ossidzione. Per pplicre e confrontre i tre modelli sono stti reperiti in lettertur dti reltivi lle crtteristiche due ccii. Per qunto rigurd l ossidzione, non vendo disposizione dti completi di perdit di metllo per ossidzione in ri sugli specifici ccii, e dto lo scopo comprtivo del lvoro, sono stti utilizzti i dti di perdit di metllo in miente vpore riportti d Armitt e ltri [10], che descrivono i dti sperimentli medinte crescit prolic, come illustrto in figur 2, per ccii l 9Cr1Mo e l 2 1 / 4 Cr1Mo. Fig. 2 Velocità di perdit di metllo per l ossidzione prolic di vri ccii l vrire dell tempertur [10]. Fig. 2 Metl loss rte (prolic oxidtion) vs. reciprocl temperture for different steels [10]. l metllurgi itlin 21

4 Per l cciio X10CrMoVN9-1gli spessori di perdit di metllo 923K non sono molto differenti d quelli riportti in ri. Dopo ore in ri è riportt un perdit di metllo di circ 0.1mm, mentre utilizzndo i dti di Armitt [10] si clcol un perdit di metllo di 0.16mm. I modelli Borggreen e DDR richiedono di definire le crtteristiche creep del mterile in termini di tempi rottur. Per i grdi esminti nel presente lvoro l correlzione tr tempi rottur, tempertur e sollecitzione è stto definito sull se di dti di lettertur [11], loro volt derivnti d interpolzioni di risultti sperimentli. Tli dti si riferiscono prove condotte in ri, crico costnte, su provini di dimensioni convenzionli [12] e per utilizzrli si è ipotizzto che fossero reltivi provini di rggio 2.5mm. Medinte il clssico prmetro di Lrson-Miller (11) dove T rppresent l tempertur in Kelvin, log t r indic il logritmo in se 10 del tempo rottur espresso in ore e C è un costnte, è stt ricvt l correlzione tr sollecitzione e PLM esprimendol nell form σ=f(plm) direttmente utilizzile nei modelli per clcolre le sollecitzioni corrispondenti tempi rottur e temperture dti. Per l correlzione tr il prmetro di Lrson e Miller e l sollecitzione si è scelt un semplice legge cuic che descrivesse in modo deguto i dti per intervlli di tempertur rispettivmente C e C per i grdi X10CrMoVN9-1e 11CrMo9-10. I risultti sono presentti in Figur 3. I vlori dell costnte C che consentono un uon interpolzione dei dti sono stti fissti pri 19 e 40 rispettivmente per i grdi 11CrMo9-10 e X10CrMoVN9-1. L correlzione sopr definit è stt utilizzt nel presente rticolo si per il modelli di Borggreen (fcendo dunque riferimento per esso ll sol equzione 4) ed l modello DDR. Per poter pplicre il modello semplificto non è sufficiente vere disposizione i tempi rottur del mterile, m è necessrio poter descrivere con legge di potenz l velocità di deformzione per creep del mterile nel cmpo di sollecitzioni e temperture considerto. Per i due ccii è stto per semplicità considerto per gli interi cmpi di sollecitzioni e temperture, e per i due ccii, un unico coefficiente n pri 6, riportto per l cciio X10CrMoVN9-1 nel cmpo delle sse sollecitzioni [12]. Fig. 3 Correlzioni sollecitzione-plm utilizzte per descrivere il comportmento rottur degli ccii X10CrMoVN9-1 () e 11CrMo9-10 () ed ottenute prtire d dti di lettertur [11]. Fig. 3 Stress vs. PLM curves used to model the creep rupture properties otined using literture dt [11] for X10CrMoVN9-1 () nd 11CrMo9-10 () steels. APPLICAZIONE DEI MODELLI I due modelli di Borggreen e DDR sono stti in primo luogo utilizzti per quntificre l riduzione dei tempi rottur in prove di creep in ri effettute su provini di ridotte dimensioni o miniturizzti. Indicndo con r* il rggio dei provini dei quli sono disponiili i tempi rottur in miente ossidnte (nel presente cso considerto pri 2.5mm) quelli di prove condotte nel medesimo miente e con le stesse condizioni di prov su provini di generico rggio r previsti di modelli di Borggreen e DDR sono rispettivmente pri : (12) (13) Applicndo le equzioni 12 e 13 sono stte ricvte le curve sollecitzioni-tempi rottur (qui riportte in figur 4 per l cciio X10CrMoVN9-1) previste per prove eseguite in ri 823K su provini di rggio 5, 1.5 e 1 mm, che possono essere considerti rispettivmente come provini di dimensione convenzionle, di dimensioni ridotte e miniturizzti [13]. Procedendo in modo nlogo sono stte clcolte le sollecitzioni che portereero pri durte creep un ipotetico componente cilindrico di rggio 50mm soggetto creep in 22 l metllurgi itlin

5 Fig. 4 Tempi rottur 823K in presenz di ossidzione previsti dl modello di Borggreen () e DDR () per l cciio X10CrMoVN9-1 ottenuti considerndo i dti di lettertur come ottenuti con provini di rggio 2.5mm. Fig. 4 Creep rupture time t 823K in oxidizing environment predicted y Borggreen () nd DDR () models for X10CrMoVN9-1 steel when creep dt were considered s otined using cylindricl specimens with rdius of 2.5mm. Fig. 5 Rpporto tr sollecitzione in ssenz e presenz di ossidzione che conducono ll durt di prov t r (in sciss) previsto di modelli di Borggreen per l cciio X10CrMoVN9-1 () e per quello 11CrMo9-10 () diverse temperture, nel cso di prove eseguite su un provino di rggio 2.5 mm. Fig. 5 Rtio etween stress in inert environment nd stress in oxidizing environment leding to the some creep rupture time (t r, x-xis) computed using Borggreen model for X10CrMoVN9-1 () nd 11CrMo9-10 () steels t different tempertures. Creep dt were considered s otined using cylindricl specimens with rdius of 2.5mm. trzione, che può essere considerto come componente mssivo ed i cui tempi rottur possono essere considerti come quelli ottenuti d prove in miente inerte. Dopo ver esminto le previsioni degli effetti prodotti dll ossidzione sui tempi rottur in prove eseguite su provini di diverse dimensioni, si frà riferimento in seguito solmente provini di rggio 2.5mm. Il primo spetto indgto è stto l incremento di sollecitzione per prove in miente inerte (vlutt in termini di rpporto rispetto ll sollecitzione pplict in presenz di ossidzione che d luogo l medesimo tempo rottur) l vrire dell tempertur e dell durt dell prov. Le curve dell umento di tle rpporto con l durt di prov di prov vrie temperture previste dl modello di Borggreen sono presentte nelle figure 5 e 5 rispettivmente per i grdi X10CrMoVN9-1 e 11CrMo9-10. Se per questo modello, come per quello DDR, utilizzndo tli curve è possiile stimre l effetto dell sollecitzione solmente l termine di un prov in miente ossidnte (noto t r ) per il modello semplificto le curve presentte nelle figure 5 e 5 rppresentno il progressivo umento del rpporto tr l sollecitzione effettiv del cmpione ossidto e quell inizile. L previsione del comportmento del mterile in ssenz di ossidzione, in termini di curve sollecitzioni-tempi rottur per un dt tempertur per i modelli di Borggreen e DDR è stt ftt clcolndo, medinte le equzioni 4 e 6, in corrispondenz di un tempo di rottur in miente inerte (t r ) ll sollecitzione σ 0 l sollecitzione σ MODELLO che cuseree l stess durt creep. Ripetendo l operzione per diversi tempi di rottur si possono trccire le curve previste in miente inerte. Per il modello semplificto invece per ogni coppi t r -σ 0 è stto clcolto il tempo rottur che si l metllurgi itlin 23

6 otterree effettundo l prov in miente inerte (equzione 10). Le curve sollecitzione-tempi rottur in miente inerte previste di diversi modelli prtire dgli stessi dti sono presentti nelle figure 6 e 7, reltive rispettivmente l grdo X10CrMoVN9-1 ( 823 e 873K) e quello 11Cr- Mo9-10 ( 773 e 823K). Come ccennto nell presentzione del modello semplificto, pplicndolo è possiile descrivere l inter curv di creep in presenz di ossidzione qundo il comportmento del mterile in miente inerte si degutmente descriviile considerndo un velocità di deformzione costnte. Poiché l velocità di deformzione durnte le prove in ssenz di ossidzione (corrispondente quell inizile in presenz di ossidzione) è costnte, dll equzione (9) si ricv l possiilità di normlizzre le curve di creep rispetto d ess. Tli curve normlizzte sono indipendente dll sollecitzione, e dunque sono vlide per tutte le prove effettute d un tempertur e per rggio del provino dti. Le curve normlizzte so Fig. 6 Confronto tr le curve sforzo-tempi rottur in presenz di ossidzione (Dti, ox) per provini di 2.5 mm di rggio e quelli previsti di tre modelli nel cso di miente inerte per l cciio X10CrMoVN9-1 tempertur di 823K () e 873K (). Fig. 6 Stress vs. time to rupture curves in inert environment estimted y different models when creep dt (Dti, ox) were considered s otined using cylindricl specimens with rdius of 2.5 mm. X10CrMoVN9-1 steel t tempertures 823K () nd 873K (). Fig. 7 Confronto tr le curve sforzo-tempi rottur in presenz di ossidzione (Dti, ox) per provini di 2.5 mm di rggio e quelli previsti di tre modelli nel cso di cciio 11CrMo9-10 tempertur di 773K () e 823K (). Fig. 7 Stress vs. time to rupture curves in inert environment estimted y different models when creep dt (Dti, ox) were considered s otined using cylindricl specimens with rdius of 2.5mm. 11CrMo9-10 steel t tempertures 773K () nd 823K (). no qui presentte per l cciio X10CrMoVN9-1 in figur 8 e8 per evidenzire rispettivmente l effetto dell dimensione dei provini e quello dell tempertur di prov. Inoltre, poiché in prove di creep in miente inerte il rpporto tr deformzione e velocità di deformzione corrisponde l tempo speso in tle miente per rggiungere l deformzione dt, lo stesso digrmm in figur 8 può essere utilizzto per prevedere i tempi rottur di prove condotte in miente inerte (leggiili sull sse delle ordinte) dti quelli dell prov nelle medesime condizioni eseguite in miente ossidnte (t r ) (leggiili sull sse delle scisse), o vicevers. DISCUSSIONE DEI RISULTATI L esme dei risultti ottenuti pplicndo i tre modelli due ccii in condizioni di tempertur e sollecitzione inizile differenti permette di fre lcune considerzioni proposito 24 l metllurgi itlin

7 Fig. 8 Curve di creep normlizzte rispetto ll velocità inizile di deformzione per l cciio X10CrMoVN9-1 per diversi rggi dei provini di creep in prove condotte 823K () e diverse tempertur in prove effettute su provini di rggio 2.5 mm (). Il rpporto tr l deformzione e l velocità inizile di deformzione (in ordinte) è pri l tempo di rottur in miente inerte corrispondente l tempo di rottur in miente ossidnte letto in scisse. Fig. 8 Initil creep strin rte normlized creep curves for X10CrMoVN9-1 steel for different specimens rdii in tests performed t 823K () nd t different tempertures in tests performed using specimens of rdius 2.5 mm (). The strin to initil strin rte rtio (y-xis) is the time to rupture in inert environment corresponding to the time to rupture in oxidizing environment (x-xis). dell effetto dell ossidzione sul comportmento creep dei mterili e sull su modellizzzione. L definizione dell ccurtezz dei diversi modelli esul invece dgli scopi del presente lvoro. Per l su definizione occorreree vere disposizione dti di creep sperimentli ottenuti si in presenz, si in ssenz di ossidzione, oltre che un ttent definizione dell cinetic che definisce l perdit di metllo in prove eseguite in miente ossidnte. Innnzitutto, indipendentemente dl modello, con le cinetiche di ossidzione utilizzte gli effetti dell ossidzione sull riduzione dei tempi rottur lle temperture esminte sono già riscontrili in provini venti rggio di 5 mm e più evidenti per provini di rggio 2.5mm. Quindi, in questo intervllo di dimensioni, frequentemente dottte per l esecuzione di prove di creep lungo termine in ccii, l effetto dell ossidzione non v sottovlutto, lmeno per i tempi di prov più lunghi e per le temperture mggiori. Gli effetti dell ossidzione sono poi decismente più evidenti nel cso di provini di dimensioni ridotte o miniturizzti. Bsti pensre che, sempre con le cinetiche qui utilizzte, lo spessore di metllo perso dopo ore 823K (550 C) è di 0.11 mm per l cciio X10CrMoVN9-1, 0.21 mm per il secondo cciio e ciò corrisponde d un consistente riduzione di sezione resistente (rispettivmente 21 e 38%) nel cso di provini di 1 mm di rggio. Per questi cmpioni inoltre le differenze tr i tempi di rottur previsti di tre modelli sse sollecitzioni ed in miente ossidnte sono molto lontne tr loro. Considerzioni legte ll esiguità di mterile disposizione per ricvre provini, lle effettive possiilità di relizzre prove in miente inerte, oltre che considerzioni economiche e reltive lle tempistiche di prov potreero fr optre per l esecuzione di prove in miente inerte solo per revi durte. Il confronto dei risultti con quelli di prove in ri in condizioni di sforzo e tempertur nloghe, con l vlutzione finle dello stto di ossidzione dei provini potree consentire l vlidzione dei modelli e il loro utilizzo per previsioni in ltre condizioni di crico/tempertur. Fissto un mssimo incremento di sforzo legto ll presenz dello strto di ossido che può essere considerto trscurile, i modelli Borggreen e DDR potreero fcilmente dre indiczioni per ogni geometri e tempertur di prov dei tempi rottur mssimi per poter ssimilre i dti ottenuti in miente ossidnte quelli in ssenz di ossidzione. Il modello di Borggreen fornisce sicurmente l condizione limite, considerndo il mssimo effetto possiile dell ossidzione. Ammettendo d esempio che entro un incremento di sollecitzione del 5% fine prov l effetto dell ossidzione poss essere trscurto, per l cciio X10CrMoVN K l ossidzione sree irrilevnte fino tempi di prov di circ ore per provini di rggio 2.5 mm, fino ore per provini di rggio 5mm. Si potree procedere in modo nlogo fissndo un limite sull incremento dei tempi rottur in tmosfer inerte rispetto quelli in ri, m ciò presupporree crtteristiche creep del mterile note. Il modello semplificto consente invece di seguire l progressione dell ossidzione. Pur non introducendo l presenz di creep primrio e terzirio, quindi non essendo deguto descrivere le curve di deformzione-tempo per prove con periodo terzirio pronuncito, il modello prevedere le curve in ssenz di ossidzione. Esso consente inoltre di vlutre gli effetti dell ossidzione sui risultti delle prove creep lungo termine interrotte en prim di rggiungere l rottur, in condizioni in cui l ipotesi di considerre creep per sol legge di potenz si ccettile ed il vlore dell esponente n di tle legge si noto. Nei csi degli ccii e dei cmpi di sforzo e temperture esminti le previsioni fornite dl modello semplificto si vvicinno, in un cso per eccesso e nell ltro per difetto, quelle del modello DDR. Poiché l ndmento delle curve di creep descritte dl modello semplificto in miente ossidnte è legto l vlore del coefficiente n dell legge di potenz che descrive l deformzione per creep del mterile, l effetto di questo prmetro è stto qui vlutto imponendo diversi vlori di n. Le curve dei tempi rottur dell cciio X10CrMoVN9-1 in funzione dell sollecitzione inizile pplict riportte nel digrmm di figur 9 indicno, come rgionevole spettrsi, il sempre più mrcto effetto dell ossidzione ll umentre di n. Nel cso esminto per vlori di n compresi tr 10 e 15 gli effetti dell ossidzione diventno più pesnti di qunto previsto dl modello DDR, l qule tuttvi le curve sono prossime per vlori di n di 6 e 16 ri- l metllurgi itlin 25

8 Fig. 9 Effetto del prmetro n sull posizione delle curve dei tempi rottur 823K (550 C) dell cciio X10CrMoVN9-1 in miente inerte previste dl modello semplificto rispetto quelli previsti dgli ltri modelli. Fig. 9 Effect of the n exponent descriing power-lw creep on the time to rupture curves in inert environment predicted y the simplified model t 823K (550 C) for X10CrMoVN9-1 steel. Curves re compred to those foreseen y other models. spettivmente per il cmpo delle sse ed lte sollecitzioni, vlori riportti in lettertur per questo cciio [12]. Si consideri inoltre che, per questo come per ltri ccii, ll ssrsi dell sollecitzione inizile n tende ridursi e l riduzione dei tempi rottur provoct dll ossidzione risult meno drstic di qunto previsto dl modello DDR e soprttutto del modello di Borggreen. L previsione del comportmento di componenti mssivi secondo il modello Borggreen risult quindi eccessivmente ottimistic, in prticolre per ssi coefficienti n e sse sollecitzioni. Due ultime puntulizzzioni si rendono necessrie qundo si intendono impiegre i modelli esminti per l previsione dei tempi rottur di mterile soggetto creep in miente inerte o per componenti mssivi. Per tempi rottur molto lunghi e temperture elevte l ipotesi di poter trscurre lo spessore di ossido rispetto l rggio potree non essere più vlid ed i modelli non sreero più pplicili. Tuttvi, en prim di rggiungere quest condizione i modelli potreero fornire previsioni irrelistiche. Si esmini d esempio il cso delle curve sforzi-tempi rottur in miente inerte previste 823 e 873K dl modello di Borggreen per l cciio X10CrMoVN9-1 (Figure 6 e 6) prtire d dti considerti provenienti d provini di rggio 2.5mm. Per tempi lunghi l pendenz delle curve decresce progressivmente fino rggiungere un minimo che, nei csi riportti, si present per tempi superiori quelli mssimi digrmmti. Il tempo corrispondente l minimo dipende d un cominzione di fttori che comprendono l cinetic di ossidzione, l geometri del provino e le crtteristiche creep del mterile (si osservino questo proposito le differenze tr i due ccii). Nel modello di Borggreen è intuiile che l ttriuzione di tutt l perdit di sezione resistente fin dll istnte inizile di prov fcci considerre un rpporto tr l sollecitzione che porteree rottur nel tempo fissto in miente inerte ed ossidnte molto mggiore rispetto quell presente durnte uon prte dell prov. Tle rpporto è tnto mggiore qunto mggiori sono i tempi rottur (o l tempertur di prov). All umentre dell durt creep l incremento dell sollecitzione previst in miente inerte ed ossidnte può prevlere sull riduzione dell sollecitzione dovut l solo creep, cusndo l presenz irrelistic del minimo precedentemente descritt. CONCLUSIONI Confrontndo le curve dei tempi rottur in miente inerte ottenuti pplicndo diversi modelli sull se dell medesim curv di tempi rottur in miente ossidnte si può osservre che il modello di Borggreen, che ipotizz l formzione immedit dello strto di ossido presente ll rottur, rppresent il cso limite prevedendo i mssimi tempi rottur in miente inerte. In condizioni reli il comportmento dei mterili in miente inerte srà dunque compreso tr quelli ottenuti in ri e quelli previsti d tle modello. L previsione di vit di componenti mssivi prtire d dti ottenuti in miente ossidnte medinte il modello di Borggreen ppre essere eccessivmente ottimistic, prevedendo tempi rottur superiori l rele, fino non prevedere l rottur in lcune condizioni. Notevole ttenzione v quindi post pplicndo questo metodo di previsione sollecitzioni molto sse. I metodi qui denominti DDR e semplificto predicono nei csi esminti tempi rottur prossimi. L vlutzione degli effetti dell ossidzione sui risultti di prove effettute su provini di diverse dimensioni indic che per gli ccii e nel cmpo di temperture esminte (es ore) nche i risultti ottenuti con provini di geometri convenzionle, con dimetri nell intervllo 5-10mm, possono essere influenzti dll formzione di uno strto di ossido. Provini di minori dimensioni mostrno un effetto più mrcto dell ossidzione ed il loro utilizzo in prove in ri di lung durt v ccurtmente considerto. Si deve infine ricordre che l ccurtezz dei modelli esminti dipende dll cominzione di molteplici fttori, tr i quli le crtteristiche creep e l resistenz ossidzione cldo del mterile considerto, oltre che dll geometri dei cmpioni. BIBLIOGRAFIA [1] Per Kofstd. Metls t High Temperture. Elsevier Applied Science, London, [2] S. Osgery, B. F. Dyson. Effects of oxygen on creep performnce: mechnisms nd predictive modelling. Mt. Sci. Technol., 6 (1990) pp [3] K. Borggreen, P. Huntley. 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9 Mtterili, 36 (1997) pp [8] Prüfung metllischer Werkstoffe Zeitstndversuch, TGL 11224, Gruppe 12100, Verntwortlich/esttigt, , VEB Rohrkomint, Ries. [9] P.J. Ennis, W.J: Qudkkers, J. Zurek. Stem oxidtion of Cr-steels nd its implictions for the service life of components. Memori presentt High Temperture plnt integrity nd lif, extension, April 2004, Cmridge. Ed. A. Fleming, D.J. Roertson, I.A. Shili. [10] J. Armitt, R. Holms, N.I. Mnning, D.B. Medowcroft, E. Metclfe. The splling of stem-grown oxide from EVALUATION OF THE EFFECT OF OXIDATION ON THE CREEP PROPERTIES OF STEELS KEYWORDS oxidtion, creep, modelling, X10CrMoVN9-1 steel (P91), 11CrMo9-10 steel (P22) The pper presents nd pplies three simple models for the evlution of oxidtion on the creep properties of structurl components nd/or specimens operting nd/or tested t high temperture. All the models re sed on the hypothesis tht the oxide lyer hs no lod crrying cpility nd re proposed for the cse of constnt stress tests on cylindricl specimens in oxidizing environment cusing prolic oxidtion. Two models were tken from literture nd were here referred s Borggreen [3-4] nd DDR [ 8] models. For given pplied stress (σ o ) nd corresponding time to rupture (t r ) they compute the vlue of stress (σ MODEL ) tht, pplied in inert environment, leds to filure t time t r. In the Borggreen model such modelled stress (eq. 4) corresponds to the effective stress pplied t time t r due to metl loss of thickness x. The modelled stress in the DDR model (eq. 6) is the verge etween Borggreen nd the initil stress. The third model (referred to s simplified model) inserts the reduction of cross section due to oxidtion into the power-lw eqution descriing the creep properties of the mteril (eq. 8). ABSTRACT superheter nd re-heter tue steels. Technicl report EPRI, Fe [11] ECCC Dtsheets, Ed. D.G. Roertson. Pul. ERA Technology, Letherhed. [12] P.J. Ennis, A. Czyrsk-Filemonowicz. Recent dvnces in creep resistno steels for power plnt pplictions. OMNI, vol.1, n.1, April [13]ECCC Recommendtions, vol. 3, prt III. Dt cceptility Criteri nd Dt Genertion : Recommendtions for creep testing of post-exposed (ex-service) mterils. Ed. E. Grioldi, S Brett In ddition to times to rupture (eq. 9), the simplified model is le to predict creep curves, nd thus times to fixed strins, in oxidizing or inert environments, which cn e useful to evlute the effect of oxidtion in long-term tests interrupted when rupture is fr from eing reched. The models were pplied to X10CrMoVN9-1 (P91) nd 11CrMo9-10 (P22) steels, the oxidtion nd creep properties of which were tken from literture. The effects of specimen dimension on creep rupture curves in oxidizing environment were computed (figures 4 nd 8). The inert to initil stress rtio t different tempertures ws lso plotted s function of time to rupture (figures5 nd 8). The models were then used to predict stress vs-times to rupture in inert environment (condition to which ulk components cn e ssimilted) using creep dt considered s otined from cylindricl specimens with rdius of 2.5mm (figures 6 nd 7). For the creep nd oxidtion properties of the exmined steels, the rupture times predicted y DDR nd simplified model re rther close. The effect of n-exponent of power-lw eqution on the stress vs-times to rupture curves of the simplified model ws discussed. As it increses, the predicted curves move towrds those of Borggreen models, ut for the rnge of n-vlues 6-16 times to rupture re not fr from those of DDR model. Borggreen model overestimtes the effect of oxidtion nd this fct predict excessively long times to rupture, prticulrly t low stresses. l metllurgi itlin 27