AbstractA novel technique has been used to test the relative low cycle thermal fatigue resistance of different grades of US and Russian beryllium, which is proposed as plasma facing armor for fusion reactor first wall, limiter and divertor components. The 30 kW electron beam test system at Sandia National Laboratories was used to sweep the beam spot along one direction at 1 Hz. This produces a localized temperature `spike' of 750°C for each pass of the beam. Large thermal stresses in excess of the yield strength are generated, due to very high spot heat flux, 250 MW m−2. Cyclic plastic strains on the order of 0.6% produced visible cracking on the heated surface in less than 3000 cycles. An in-vacuo fiber optic borescope was used to visually inspect the beryllium surfaces for crack initiation. Grades of US beryllium tested included: S-65C, S-65H, S-200F, S200F-H, SR-200, I-400, extruded high purity, HIP′d spherical powder, porous beryllium (94 and 98% dense), Be/30% BeO, Be/60% BeO, and TiBe12. Russian grades included: TGP-56, TShGT, DShG-200, and TShG-56. Both the number of cycles to crack initiation and the depth of crack propagation, were measured. The most fatigue resistant grades were S-65C, DShG-200, TShGT and TShG-56. Rolled sheet Be (SR-200) showed excellent crack propagation resistance in the plane of rolling, despite early formation of delamination cracks. Only one sample showed no evidence of surface melting, Extruded (T). Metallographic and chemical analyses are provided. Good agreement was found between the measured depth of cracks and a 2-D elastic-plastic finite element stress analysis.
新規技術を用いて、米国製およびロシア製ベリリウムの異なるグレードの低サイクル熱疲労耐性を試験した。これらのベリリウムは、核融合炉の第一壁、ダイバータ、リミッター構成要素のプラズマ対向装甲として提案されているものである。サンディア国立研究所の30kW電子ビームシステムを用いて、ビームスポットを1Hzで一方向に走査した。これにより、ビームの各通過時に750°Cの局所的温度スパイクが生じる。250MW m⁻²という非常に高いスポット熱流束により、降伏強度を超える大きな熱応力が発生する。約0.6%の周期的塑性ひずみにより、加熱表面に3000サイクル未満で可視的な亀裂が生じた。真空内ファイバースコープを用いて、ベリリウム表面の亀裂発生を視覚的に検査した。試験した米国製ベリリウムのグレードは、S-65C、S-65H、S-200F、S200F-H、SR-200、I-400、押出成形高純度ベリリウム、HIP処理球状粉末ベリリウム、多孔質ベリリウム（94%および98%密度）、Be/30% BeO、Be/60% BeO、TiBe₁₂である。ロシア製のグレードは、TGP-56、TShGT、DShG-200、TShG-56である。亀裂発生までのサイクル数と亀裂伝播深さの両方を測定した。最も疲労耐性に優れたグレードは、S-65C、DShG-200、TShGT、TShG-56であった。圧延シート材ベリリウム（SR-200）は、早期の層間剥離亀裂の形成にもかかわらず、圧延面内方向で優れた亀裂伝播耐性を示した。表面溶融の証拠を示さなかった試料は押出成形材（T）のみであった。金属組織学的分析および化学分析を実施した。測定された亀裂深さと2次元弾塑性有限要素応力解析の結果は良好な一致を示した。