A 282

Einfluss von Stützwirkungseffekten auf das Langzeit-Kriechermüdungsverhalten von Kraftwerkskomponenten bei hohen Laständerungsgeschwindigkeiten

Zusammenfassung des Abschlussberichtes zum Forschungsprojekt

 

Einfluss von Stützwirkungseffekten auf das Langzeit-Kriechermüdungsverhalten von Kraftwerkskomponenten bei hohen Laständerungsgeschwindigkeiten

(A 282 S 24/10200/12)

 

Laufzeit der Forschungsarbeiten:     1. Januar 2013 – 30. Juni 2016

 

 

Zur Auslegung sowie zur Einschätzung der Betriebssicherheit von Kraftwerkskomponenten werden im Allgemeinen rechnerische Verfahren, welche auf Daten aus standardisierten experimentellen Versuchen basieren, zur Lebensdauerbewertung eingesetzt. Diese Verfahren und Berechnungsregeln müssen auf der einen Seite hinreichend konservativ sein, um trotz sämtlicher Unschärfen, Unsicherheiten und notwendigen Annahmen immer noch eine zuverlässige und sichere Aussage über die Lebensdauer treffen zu können. Auf der anderen Seite sind die Konservativitäten in den Modellen auf ein Minimum zu begrenzen, um das eingesetzte Material effektiv auszunutzen und die Bauteilkomponente möglichst optimal auslasten zu können.

Im Rahmen des hier zusammengefassten Vorhabens A 282 „Stützwirkung Kriechermüdung“ ist das Ziel verfolgt worden, eine die spannungsmechanische Stützwirkung betreffende Konservativität in aktuellen Lebensdauerbewertungsmethoden systematisch zu quantifizieren und dieses Ergebnis in einem weiteren Schritt zu verallgemeinern, so dass zukünftig eine Berücksichtigung innerhalb einer Lebensdauerbewertungsvorschrift erfolgen kann.

Der vorliegende Abschlussbericht des AVIF-Vorhabens A 282 beschreibt die Ergebnisse der experimentellen und theoretischen Beschreibung von Stützwirkung in Verbindung mit Mehrachsigkeit unter isothermer und anisothermer Kriechermüdungsbeanspruchung. Aufgrund einer zunehmend flexibler gestalteten Betriebsweise von Kraftwerkskomponenten kommt der präzisen Beschreibung der Lebensdauer unter thermisch induzierten Beanspruchungen, beispielsweise infolge von An- und Abfahrtvorgängen, eine immer größer werdende Bedeutung zu. Aus diesem Grund hatte dieses Vorhaben das Ziel, die Rissinitiierung in kerbbehafteten Strukturen unter einer Kriechermüdungsbeanspruchung experimentell und theoretisch zu untersuchen, um anschließend geeignete Modellansätze für die Übertragung auf Bauteile zu entwickeln und zu validieren.

Die Untersuchungen wurden an zwei warmfesten Schmiedestählen vom Typ 30CrMoNiV4-11 für Anwendungen im Bereich von 550°C und X12CrMoWVNbN10-1-1 für Bauteiltemparaturen im Bereich von 600°C durchgeführt.

Der experimentelle Teil umfasste ein umfangreiches, systematisch durchgeführtes isothermes Basis-Versuchsprogramm an gekerbten Rund- und gekerbten Hohlproben an beiden Werkstoffen. Die Versuche wurden mit speziellem Messeequipment ausgestattet, um sowohl Mechanismen der frühen Rissentwicklung zu analysieren und zu quantifizieren als auch die lokale Dehnungsentwicklung im Kerbgrund genauer zu untersuchen. Für Validierungszwecke wurden ebenfalls anisotherm betriebsähnliche Kerbversuche und Versuche an innendruckbeaufschlagten gekerbten Hohlzylindern sowie an biaxial belasteten gelochten Kreuzproben durchgeführt.

Anhand der experimentellen Erkenntnisse und der umfangreichen Zusatzmessungen wurde die Stützziffer unter den untersuchten Beanspruchungsarten und Kerbsituationen quantifiziert. Es zeigte sich, dass ein wesentlicher zur Stützwirkung führender Mechanismus in einem unterschiedlich schnellen Risswachstum bis zur Bildung technischer Anrisstiefen begründet liegt. Neben theoretischen Betrachtungen zur Entwicklung der Kerbdehnung in Abhängigkeit der absolvierten Zyklen wurde ein bruchmechanisches Konzept entwickelt, mit welchem die experimentell festgestellte bruchmechanisch begründbare Stützwirkung in guter Übereinstimmung quantifiziert werden kann. Ein weiterer Mechanismus der Makro-Stützwirkung liegt in der lokalen Schädigungsentwicklung begründet, welche mittels eines konstitutiven Materialmodells theoretisch abgebildet werden kann.

Damit stehen nach Ende des Vorhabens sowohl eine umfangreiche und systematisch erzeugte Datenbasis als auch theoretische Modellbeschreibungen zur Verfügung, welche potenziell eine Quantifizierung und Berücksichtigung von Aspekten der Stützwirkung innerhalb zukünftiger Lebensdauerberechnungsvorschriften für reale Bauteile ermöglichen.

  

Forschungsstellen:

Institut für Werkstoffkunde, Technische Universität Darmstadt

Staatliche Materialprüfungsanstalt, Stuttgart

 

Forschungsleiter:                        

Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner

Prof. Dr.-Ing. Stefan Weihe

vorgelegt von: Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V. (FVV)

 

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

 

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die
AVIF

21.02.2017 10:27 Alter: 31 Tage