A277

Ermittlung des Einflusses von Spannungsgradienten auf das Kriechrissverhalten und Kriechermüdungsrissverhalten

Zusammenfassung des Abschlussberichtes zum Forschungsprojekt

 

Ermittlung des Einflusses von Spannungsgradienten auf das Kriechrissverhalten und Kriechermüdungsrissverhalten

(A277 S 24/10194/12)

 

Laufzeit der Forschungsarbeiten:     1. Juli 2012 – 31. Dezember 2015

 

 

Bei Komponenten und Bauteilen können bereits vor Betriebsbeginn Fehlstellen und Risse vorhanden sein. Werden diese Komponenten unter Kriechbeanspruchung betrieben, muss anhand geeigneter Bewertungskonzepte der sichere Betrieb innerhalb des Inspektionsintervalls gewährleistet werden. Das Inspektionsintervall wird durch Vorgabe einer maximalen inelastischen Dehnung (i.d.R 1 %) festgelegt. Das bedeutet, die Bewertung erfordert nicht nur die Betrachtung von Rissinitiierung und Risswachstum, sondern auch die Analyse des Verformungsverhaltens. Daher wurde im Vorhaben A252 ein dehnungsbasierter Ansatz zur Beschreibung der Rissinitiierung entwickelt. Damit konnte die Rissinitiierung unterschiedlicher Risskonfigurationen für praxisnahe Zeiten bestimmt werden. Gleichzeitig wurde ein Zusammenhang zwischen Rissgröße, Rissinitiierung und Dehnung im Ligament der Proben sowie der Verformungsfähigkeit, quantifiziert durch die Zeitbruchdehnung Au, hergestellt. Diese Betrachtungen wurden an Proben durchgeführt, welche eine homogen verteilte Nennspannung aufweisen. In realen Komponenten ergibt sich jedoch durch die äußeren Beanspruchungen wie beispielsweise Innendruck oder Fliehkraft sowie durch geometrisch bedingte Kerben und Querschnittsübergänge sehr oft eine inhomogene Spannungsverteilung. Der sich hieraus ergebende Gradient beeinflusst die Dehnungsentwicklung und damit auch das Rissinitiierungs- und –wachstumsverhalten.

Durch den Spannungsgradienten ergibt sich ein Stützeffekt, der sich positiv auf die Rissinitiierung auswirken kann. Für die Lebensdauerbewertung muss dieser Einfluss beschrieben und quantifiziert werden. Dies bedeutet jedoch, dass die Konzepte zur Bestimmung der Rissinitiierung auf deren Anwendbarkeit für solche Risskonfigurationen überprüft werden müssen.

Daraus leitete sich die Zielsetzung des Vorhabens ab, den Einfluss von Spannungsgradienten infolge von Kerben auf das Rissverhalten unter Kriech- und Kriechermüdungsbeanspruchung zu ermitteln, am Beispiel dreier unterschiedlicher warmfester Stähle bzw. Werkstoffzustände. Durch das Forschungsvorhaben sollten anwendbare Daten über das Risseinleitungs- sowie Risswachstumsverhalten von Fehlstellen (Rissstartkerben) in geometrischen Kerben bereitgestellt werden. Dabei sollten die Lastfälle der reinen Kriechbeanspruchung und der überlagerten Ermüdungs- und Kriechbeanspruchung untersucht werden.

Der Lösungsweg gliederte sich in mehrere Arbeitspakete. Die durch den Stützwirkungseffekt zu erwartende Vergrößerung der Grenzrisslänge wird durch die Ergebnisse des Vorhabens jeweils widergegeben.

Das genaue Berechnungskonzept wird jedoch im Schlussbericht ausführlich beschrieben, was bei der Interpretation der Ergebnisse zu berücksichtigen ist. Für die Abbildung des Gradienten wurden im ersten Schritt Probenformen ermittelt, mit welchen die Abbildung eines praxisnahen Gradienten möglich ist. Die Proben wurden durch numerische Analysen modifiziert. Es wurde dabei von der Form Double-Edge-Notched-Tension (DENT) mit zusätzlicher Kerbe oder Compact-Tension (CT) ausgegangen. Der relevante Unterschied zwischen den Proben besteht darin, dass ein Gradient in der Nennspannung in der CT-Probe durch den überlagerten Biegeanteil nicht durch Spannungsumlagerungen völlig reduziert werden kann. Bei der DENT-Probe kann dies erfolgen. Somit wird mit den Probenformen unterschiedliches Verhalten des Spannungsgradienten abgebildet. Die Proben wurden dann numerisch untersucht, um den Gradienteneinfluss zu ermitteln. Parallel dazu wurden die Ergebnisse durch Experimente validiert. Die Experimente wurden dabei unter reiner statischer und auch ausgesuchter Kriechermüdungsbelastung durchgeführt. Dabei wurde der Fokus auf die Abbildung des Kriechermüdungsverhaltens gelegt. Ergänzend hierzu wurden klassische Bruchmechanikparameter bei überlagertem Spannungsgradienten untersucht. Es konnte hier der Einfluss des Gradienten für unterschiedliche Rissgrößen dargestellt werden.

Neben den vorrangig betrachteten 1%Cr- und 10%Cr-Schmiedewerkstoffen wurden stichprobenartig ausgesuchte artverwandte Gusswerkstoffe numerisch bei Kriechbeanspruchung untersucht und es konnte für die Werkstoffe ebenfalls eine Grenzrisslänge ermittelt werden.

Insgesamt konnte durch die Ergebnisse des Projektes die Fragestellung nach dem Spannungsgradienten für die untersuchten Werkstoffe mit unterschiedlicher Duktilität ermittelt und quantifiziert werden und Berechnungskonzepte für die Anwendung auf Bauteile bereitgestellt werden.

 

Forschungsstellen:

Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart (MPA-S)

http://www.mpa.uni-stuttgart.de/

 

Institut für Werkstoffkunde Technische Universität Darmstadt (IfW-D)

www.mpa-ifw.tu-darmstadt.de

 

Forschungsleiter:                        

Prof. Dr.-Ing. Stefan Weihe

Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner

 

(vorgelegt vom Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. (VDMA))

 

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

15.05.2017