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In nuclear environments, irradiation hardening and damage have a detrimental effect on materials performance. Among others, fracture toughness of austenitic stainless steels decreases under neutron irradiation. Helium arising from transmutation reactions is one source of embrittlement leading to that decrement and it is here assumed as a case study, austenitic steel 316L being the material under investigation. The experimental reproduction of irradiation hardening effect on yield stress is attempted here by pre-strain under tensile loading at room temperature. The experimental production of porosity is attempted by inducing ductile damage, creep damage or a combination of them. Damage at the microstructural level is analyzed by metallography, fractography, X-ray tomography and quantified by image processing.After calibrating the elastic, the plastic and the porous plastic constitutive equations by the means of tensile tests on smooth and notched specimens, results from damaging experiments are validated by finite element analysis using the Gurson-Tvergaard-Needleman model. The numerical models obtained represent different levels of damage into the material, as induced by the experiments.Material presenting different levels of damage is then machined for fracture toughness evaluation in the shape of sharp-notched round bars. Fracture toughness initiation is inferred from the load vs. displacement plots applying an opportune fracture criterion. In order to test the suitability of the Gurson-Tvergaard-Needleman model, the load vs. displacement results are validated by retrofitting opportune constitutive laws for each “damaged” state. Retrofitting is discussed in relation to the type of damage produced.Results show that the reproduction of the macroscopic effect of irradiation hardening on yield stress may be attempted for 316L by a pre-strain tensile loading at room temperature for levels up to 1.5 dpa or slightly more. These interrupted tensile tests did not give evidence of void volume fraction production. Creep tests at 650 °C showed sensitization at the grain boundaries but not porosity into the matrix. Creep tests at 1000 °C created 1.2% to 1.8% void volume fraction from grain boundary sliding. Finally, one 7% pre-strained specimen was subjected to creep test at 900 °C and stopped at 5% creep strain, without evidence of porosity into the matrix.Fracture toughness tests on the “damaged” states obtained before showed a decrement of fracture toughness initiation when compared with “undamaged” 316L. Specimens with 30% and 40% eng. strain presented a sensible decrement and exhibited a brittle-like behaviour. The differences in porosity size and physical processes involved suggest not stating that a correlation exists with the helium embrittlement effect on the same property. The Gurson-Tvergaard-Needleman model worked for the “undamaged” material. It proved to be not suited for the brittle-like 30% and 40% eng. strain “damaged” materials because it did not capture the experimental progression of damage.In the end, fracture toughness numerical predictions were made using different values of initial void volume fraction. It was argued that, starting from a threshold value, the brittle-like 30% and 40% eng. strain “damaged” materials revert to a ductile behaviour.

The paper presents results of a research project founded by the Swiss Federal Nuclear Inspectorate concerning the application of the Master Curve approach in nuclear reactor pressure vessels integrity assessment. The main focus is put on the applicability of pre-cracked 0.4T-SE(B) specimens with short cracks, the verification of transferability of MC reference temperatures T0 from 0.4T thick specimens to larger specimens, ascertaining the influence of the specimen type and the test temperature on T0, investigation of the applicability of specimens with electroerosive notches for the fracture toughness testing, and the quantification of the loading rate and specimen type on T0. The test material is a forged ring of steel 22 NiMoCr 3 7 of the uncommissioned German pressurized water reactor Biblis C. SE(B) specimens with different overall sizes (specimen thickness B=0.4T, 0.8T, 1.6T, 3T, fatigue pre-cracked to a/W=0.5 and 20% side-grooved) have comparable T0. T0 varies within the 1σ scatter band. The testing of C(T) specimens results in higher T0 compared to SE(B) specimens. It can be stated that except for the lowest test temperature allowed by ASTM E1921-09a, the T0 values evaluated with specimens tested at different test temperatures are consistent. The testing in the temperature range of T0 ± 20 K is recommended because it gave the highest accuracy. Specimens with a/W=0.3 and a/W=0.5 crack length ratios yield comparable T0. The T0 of EDM notched specimens lie 41 K up to 54 K below the T0 of fatigue pre-cracked specimens. A significant influence of the loading rate on the MC T0 was observed. The HSK AN 425 test procedure is a suitable method to evaluate dynamic MC tests. The reference temperature T0 is eligible to define a reference temperature RTTo for the ASME-KIC reference curve as recommended in the ASME Code Case N-629. An additional margin has to be defined for the specific type of transient to be considered in the RPV integrity assessment. This margin also takes into account the level of available information of the RPV to be assessed.

Bei der Beurteilung der Sicherheit bestehender Konstruktionen aus altem Baustahl (i. A. Flussstahl) und der Entscheidung über notwendige Instandsetzungs- und Verstärkungsmaßnahmen ist der Nachweis ausreichender Werkstoffzähigkeit (der Sicherheit gegen ein sprödes Versagen) von wesentlicher Bedeutung. Die in DIN EN 1993-1-10 normativ geregelten Nachweismethoden zur Beurteilung der Sprödbruchgefährdung wurden basierend auf umfangreichen bruchmechanischen Untersuchungen entwickelt. Sie gelten für Schweißkonstruktionen und „Stähle aus neuerer Zeit“ mit in der Regel hohen Zähigkeitswerten. Die Quantifizierung der Zähigkeit in Werkstoffnormen erfolgt durch Kerbschlagbiegeversuche. Die Beziehung zwischen der Übergangstemperatur der Kerbschlagarbeit und der Referenztemperatur der Bruchzähigkeit wird durch die modifizierte Sanz-Korrelation hergestellt, die nur für diese Stähle abgeleitet wurde. Das in der Norm verankerte Verfahren ist für alte Flussstahlkonstruktionen mit Lochschwächung durch Niet- und Schraubenverbindungen nicht geeignet. Einerseits unterscheiden sich Kerbwirkung und Eigenspannungszustand von geschweißten und genieteten Konstruktionen und damit die Zähigkeitsanforderungen wesentlich voneinander. Auf der anderen Seite unterliegen die Zähigkeitseigenschaften von Flussstählen deutlich größeren Streuungen. In der vorliegenden Arbeit werden experimentelle und rechnerische Untersuchungen zum Sprödbruchverhalten gelochter Konstruktionen aus altem Flussstahl vorgestellt. Wesentlicher Bestandteil sind dabei die umfangreichen Werkstoffanalysen zur Ermittlung der bruchmechanischen Werkstoffzähigkeit im spröd-duktilen Übergangsbereich nach dem Master-Curve-Konzept (ASTM E1921). Die Auswertungen belegen, dass in Abhängigkeit des Herstellungsverfahrens unterschiedliche Werkstoffgüten definiert werden können. Um den Einfluss des Stanzens von Löchern auf das Sprödbruchverhalten alter Flussstähle zu beurteilen, werden Gefügeuntersuchungen und Mikrohärtemessungen durchgeführt. Ausgehend von einer umfassenden Analyse typischer Konstruktionsformen bestehender Tragwerke des Stahlhochbaus erfolgen bruchmechanische FE-Berechnungen an Anschlüssen von Winkelprofilen zur Bestimmung der Zähigkeitsanforderungen. Die dabei gewonnenen Ergebnisse des Spannungsintensitätsfaktors werden durch Modifikation bekannter Lösungen aus der Fachliteratur für die weitere Anwendung aufbereitet. Darauf aufbauend wird für die untersuchten Konstruktionsdetails im Rahmen einer bruchmechanischen Sicherheitsanalyse ein praxisgerechtes Verfahren zur Beurteilung der Sprödbruchgefährdung genieteter und geschraubter Bauteile abgeleitet. Mit Hilfe statistischer Methoden werden Streuungen der Festigkeits- und Zähigkeitskennwerte der Flussstähle erfasst und nach der Verifizierung durch Bauteilversuche in ein semi-probabilistisches Nachweiskonzept überführt.