Ydinjätekapselin deformaatiomekanismit Projektin johtaja: Hannu Hänninen Tutkijat: Kati Savolainen ja Tapio Saukkonen
Projektin tavoite Selvittää mikroskooppinen ja makroskooppinen plastinen deformaatio kuparikapselin rakenteissa Epäjatkuvuuskohtien ja epähomogeenisen mikrorakenteen vaikutus deformaation paikallistumiseen
Miksi tutkitaan deformaation paikallistumista? Plastinen deformaatio kapselissa tapahtuu valmistuksen, käsittelyn ja loppusijoituksen aikana Plastinen deformaatio, jäännösjännitykset ja mikrorakenteet ovat epähomogeenisesti jakautuneet ja vaikuttavat deformaation paikallistumiseen Kuormitusnopeus (suuri ja pieni) sekä viat vaikuttavat myös deformaation paikallistumiseen Kapselin epäjatkuvuuskohdat, joihin deformaatio ja viruminen paikallistuvat, ovat kapselin heikoin lenkki Sallittavan plastisen deformaation määrä sekä vikojen suuruus ja laatu pitää tuntea Plastinen deformaatio ja viruminen edistävät jännityskorroosiota ja vedyn haurastavaa vaikutusta
Kannen ja vaipan liitoskohta FSW-hitsi Cederqvist 2004
Kannen ja vaipan liitoskohta EB-hitsi Raiko 2005
Mikrorakenteeseen liittyvät tekijät (Hypoteesi) Suuret gradientit mikrorakenteellisissa ominaisuuksissa johtavat deformaation paikallistumiseen Liittämisprosessi (FSW: dynaaminen rekristallisaatio, EB: sulan jähmettyminen) Raekoko Tekstuuri FSW (processing lines, raekokogradientti ja oksidit) Epäpuhtauksien (S, O) käyttäytyminen FSW-lämpötiloissa EB (solidification lines, suuri raekokogradientti)
Miten tutkitaan FEG-SEM (EBSD, EDS) FSW-hitsauskokeet In-situ aineenkoetus SEM:ssä Vetokokeet Hitaan muodonmuutoksen kokeet Optinen venymämittaus (LaVision) Uudet metallografiset menetelmät
FEG-SEM, EBSD - Mahdollisuus kartoittaa suuria alueita, esim. hitsisauman poikki - Mahdollisuus tutkia suurella resoluutiolla yksityiskohtia - EB-hitsin poikkileikkaus, alueen leveys noin 18 mm - EB-hitsin pitkittäisleikkaus, alueen leveys noin 7 mm
FEG-SEM, EBSD - Mahdollisuus kartoittaa paikallisen mikrorakenteen tekstuurigradientteja - Röntgendiffraktiolla saadaan vain yleistekstuuri isolta alueelta EB-hitsi Voimakas tekstuuri FSW-hitsi Heikko tekstuuri
Plastisen venymän määritys, kalibrointikäyrä vetokokeista 2 % 5 % 10 % 15 % 20 % Intra-grain misorientation (deg) 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Deform ation (%) Kalibrointikäyrä
In situ EBSD-testaus SEMissä Maksimi-kuorma 2 kn ja maksimilämpötila 400 C
FSW-laitteisto
LaVision Optinen venymämittaus
Vakio- ja hitaan kuormituksen testauslaitteet
Uusia menetelmiä hitsialueen eri osien havainnollistamiseksi Erityinen elektrolyyttinen menetelmä + heijastettu valo Elektrolyyttinen kiillotus + sivuvalaistus valkoisella valolla Paljastaa prosessilinjat Paljastaa toisistaan metallurgisesti eroavat alueet
Perusmateriaalin Cu 2 S-partikkelit liukenevat korkean lämpötilan ja deformaation takia FSW-hitsauksessa ja erkautuvat hienojakoisempana hitsin jäähtyessä
Mikrorakenne vetyhehkutuksen (850 ºC, 30 min) jälkeen Rakeenkasvu estyy tummalla alueella lähes täysin, mikä viittaa raerajojen sitomiseen Cu 2 S-partikkelien tai rikin suotautumisen takia
Jatkossa FSW- ja EB-hitsien vyöhykkeiden tarkempi karakterisointi O:n ja S:n vaikutukset hitseissä In-situ FEG-SEM-kokeet hitsien eri alueista LaVision-kokeet hitsien juuren alueelta Hitsausvirheet ja niiden vaikutus deformaation paikallistumisessa Muodonmuutosnopeuden vaikutuksen tutkiminen
Julkaisut Saukkonen, T., Savolainen, K., and Hänninen, H. (2008) Microstructure and Analysis of Copper Friction Stir Welds. The 15th International Conference on Textures of Materials (ICOTOM 15). 8 p. Savolainen, K. (2008) Friction Stir Welding and Processing of Copper. Licentiate s Thesis, Helsinki University of Technology, Laboratory of Engineering Materials. 82 p. Savolainen, K., Saukkonen, T., Mononen, J., and Hänninen, H. (2008) Entrapped Oxide Particles in Friction Stir Welds of Copper. 7th International Symposium on Friction Stir Welding. 20 p. Savolainen, K. (2008) Friction Stir Welding and Processing of Copper. TKK Report MTR-1/08. 83 p.