Creep Behavior of High Temperature Cast Materials for Exhaust Applications

• This thesis focuses on creep of four cast materials intended for exhaust manifolds in heavy-duty truck engines. Two of the materials are ferritic ductile cast irons, SiMo51 and SiMo1000, one is an austenitic ductile cast iron, D5S, and another one is an austenitic cast steel, HK30. The ductile cast irons, rich in carbon, have a microstructure with graphite nodules and precipitates, mainly carbides and intermetallics. The cast steel, on the other hand, being meagre in carbon, has precipitates but lacks graphite nodules. During service, the exhaust components are thermally cycled up to 800 °C in a locked stated, bolted to an engine block. This gives rise to creep deformation, fatigue, oxidation and microstructural changes. Driven by the development of environmental friendly engines of lower emissions, the exhaust gas temperature is increasing, continuously leading to higher demands on the materials.The main aim was to investigate the creep behavior and related phenomena of the included materials. A secondary aim was to compare results from three types of tests, i) SRTC (stress relaxations with thermal cycling), provoking stress relaxations in a locked specimen subjected to thermal cycling, ii) STT (sequential tensile test), changing the strain rate at selected strain levels during a tensile test at a selected temperature, iii) CL (constant-load creep test), i.e. traditional creep testing, applying a constant load at a given temperature. SRTC and STT are intended as quick and cheap methods while CL is generally considered slow and associated with high costs. Results of the three methods were regularly compared in Norton plots, i.e. double logarithmic plots of stress and strain rate.Results of i) SRTC (in compression) and ii) STT (in tension) were generally in very close agreement which indicates that creep of the included materials is independent of loading direction. In addition, the creep rates obtained by SRTC were also constant with number of cycles. Both findings facilitate modeling of cyclic creep, although this was not in the scope of the present thesis. There were discrepancies between data sets of CL and SRTC/STT which could not be explained, although several reasons were discussed. In addition, the time-dependent creep damage which develops during a slow CL test is always missed in quick stress relaxation tests or tensile tests.The microstructural events taking place during creep were documented using LOM, SEM and EBSD microscopy techniques, with various etching and sample preparation procedures.When CL tested at 700 °C, SiMo51 showed primary creep, more or less directly followed by tertiary creep. The tertiary creep regime was in turn divided into two stages of which the first was associated with the formation of typical creep cavities around the graphite nodules and at the grain boundaries, and the second associated with larger cracks between the graphite nodules. Oxidation was significant but not enough to be held responsible for the tertiary creep stages. The oxidation on the surface and around the graphite nodules was explicitly studied. Layered oxides were identified by combining EDX data with thermodynamic calculations.Both D5S and HK30 were CL tested at 750 °C, reflecting a higher service temperature of these materials compared with SiMo51. After prolonged creep exposure, HK30 exhibited typical creep cavitation at the grain boundaries, precipitation of sigma phase and G phase, oxide intrusions and recrystallization in a thin layer at the specimen surface. D5S exhibited various types of cavities/voids around the graphite nodules (like SiMo51 at 700 °C) and fracture occurred by shear cracks growing nodule-to-nodule. Various precipitates developed during creep.

• SammanfattningAvhandlingen fokuserar på krypbeteende hos fyra gjutna material som används till avgasgrenrör i lastbilsmotorer. Dessa material inbegriper två ferritiska segjärn, betecknade SiMo51 och SiMo1000, ett austenitiskt segjärn, D5S, och ett austenitiskt gjutstål, HK30. Gjutjärnen är rika på kol och har en mikrostruktur som utöver matrisen består av grafitnoduler och olika utskiljningar, de senare huvudsakligen karbider och intermetalliska faser. Gjutstålet har ett lägre kolinnehåll och saknar därför grafitnoduler, men innehåller andra utskiljningar. Under drift cyklas avgasgrenrören termiskt upp till 800 °C i ett låst tillstånd, eller mer specifikt fastskruvade till motorblocket. Lastfallet och miljön ger upphov till krypdeformation, utmattning, oxidation och andra förändringar i mikrostrukturen. Generellt sett har utvecklingen mot mer miljövänliga lastbilsmotorer lett till högre avgastemperaturer vilket i sin tur innebär högre krav på materialen.Det huvudsakliga målet med studien var att utreda krypbeteende och relaterade fenomen hos de inkluderade materialen (se ovan). Ett sekundärt mål var även att jämföra resultat från tre olika typer av kryptester: i) SRTC (stress relaxations with thermal cycling) är ett sätt att framkalla spänningsrelaxationer i materialet genom att cykla det termiskt i ett låst tillstånd, ii) STT (sequential tensile test) är ett dragprov vid konstant temperatur under vilket töjningshastigheten ändras vid givna töjningsnivåer, iii) CL (constant-load creep test) är den traditionella krypprovningsmetoden, som innebär konstant last och temperatur. SRTC och STT är avsedda som snabba och billiga krypprovningsmetoder medan CL-metoden generellt betraktas som långsam och dyr. Resultat från de tre metoderna jämfördes regelmässigt i s.k Norton plots, det vill säga logaritmiska krypdiagram med spänning och töjningshastighet.Resultat från i) SRTC (i kompression) och ii) STT (i drag) överensstämde generellt mycket väl vilket indikerar att krypning i materialen inte beror av lastriktning. Utöver detta var töjningshastigheten som registrerades i SRTC-testerna konstant med antalet cykler. Båda dessa upptäckter underlättar modellering av cyklisk krypning i materialen, ett ämne som dock inte ingick i avhandlingen. Det finns diskrepanser mellan den krypdata som erhölls med CL-metoden och den som erhölls med de snabbare metoderna (STT och SRTC). Dessa kunde inte fullt ut förklaras, men olika alternativ diskuterades. Hursomhelst är det givet att den tidsberoende krypskada som utvecklas under ett långsamt krypprov (CL) inte kan uppstå efter snabba spänningsrelaxationer eller dragprov.De mikrostrukturella förändringar som skedde under krypning dokumenterades genom LOM-, SEM- och EBSD-mikroskopi, med flera olika tekniker för preparering och etsning.I CL-provning vid 700 °C uppvisade SiMo51 primärkryp som mer eller mindre direkt följdes av tertiärkryp. Tertiärkrypet var i sin tur uppdelat i två subregimer, av vilka den första assoceriades med skada från kaviteter runt grafitnoduler och runt korngränser/karbider, och den andra med större sprickor mellan grafitnodulerna. Den oxidation som skedde under krypning var påtaglig, men inte tillräcklig för att förklara uppdelningen i två tertiärkrypregimer. Oxidationen på provytan och runt nodulerna studerades explicit. Oxiden som helhet bestod av flera individuella lager som kunde identiferas genom att kombinera EDX-data och termodynamiska beräkningar.Både D5S och HK30 CL-testades vid 750 °C för att reflektera en högre driftstemperatur hos dessa material jämfört med SiMo51. Efter långvarig krypexponering uppvisade HK30 typiska krypkaviteter vid korngränserna, utskiljning av sigma-fas och G-fas, små oxidinträgningar och ett tunt rekristalliserat lager på provytan. D5S å sin sida uppvisade olika typer av kaviteter/porer runt grafitnodulerna, liknande den skada som noterades för SiMo51 vid 700 °C. Brottmekanismen bestod av skjuvsprickor som propagerade mellan grafitnodulerna. Olika utskiljningar bildades under krypexponeringen.

Ämnesord

NATURVETENSKAP  -- Annan naturvetenskap (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Other Natural Sciences (hsv//eng)

Nyckelord

Creep

creep behaviour

creep damage

ductile cast iron

high-alloyed austenitic cast steel

thermal cycling

tensile testing

stress relaxation

oxidation

precipitation.

Teknisk materialvetenskap

Materials Science and Engineering

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)