Temporally and spatially resolved characterization of Martensitic transformation induced in AISI 347 steel by thermo-mechanical fatigue loads

Abstract

This work focuses on the kinetics behind the phase transformation process from γ austenite to α′ martensite under isothermal and thermo-mechanical fatigue (TMF) conditions. The test conditions were set to simulate those at the start-up and cool-down of a nuclear powerplant. The formation of deformation-induced martensite is inhibited at elevated temperatures, making it difficult to measure and analyze. By implementing novel magnetic measurement techniques, dynamics of α′ martensite formation were observed for the first time under TMF load and elevated temperatures. Based on the obtained experimental data, a mathematical relationship was established between the rate of γ → α′ phase transformation, temperature, and strain amplitude. In addition, α′ martensite start temperature and the lower accumulated strain limit were determined experimentally for a low-cycle fatigue regime. A relationship was also found between α′ martensite morphology, strain amplitude, and magnetic properties of the steel.

Diese Arbeit konzentriert sich auf die Kinetik des Phasenumwandlungsprozesses von γ-Austenit zu α′-Martensit unter isothermen und thermomechanischen Ermüdungsbedingungen. Die Prüfbedingungen wurden so gewählt, dass sie die Bedingungen beim Anfahren und Abkühlen eines Kernkraftwerks simulieren. Die Bildung von verformungsinduziertem Martensit wird bei hohen Temperaturen gehemmt, was die Messung und Analyse erschwert. Durch den Einsatz neuartiger magnetischer Messtechniken konnte erstmals die Dynamik der Martensitbildung unter thermomechanische Belastung und bei erhöhten Temperaturen beobachtet werden. Auf der Grundlage der gewonnenen experimentellen Daten wurde eine mathematische Beziehung zwischen der Geschwindigkeit der Phasenumwandlung, der Temperatur und der Dehnungsamplitude hergestellt. Darüber hinaus wurden die α′-Martensit-Starttemperatur und die untere Grenze der akkumulierten Dehnung experimentell in einem niedrigzyklischen Ermüdungsmodus bestimmt. Es wurde auch eine Korrelation zwischen der α′-Martensitmorphologie, der Dehnungsamplitude und den magnetischen Eigenschaften des Stahls festgestellt.