A 307
Lebensdauer und Schädigungsmechanismen bei variabler Betriebsweise dickwandiger Gehäuse aus modernen Stahlgusswerkstoffen
Zusammenfassung des Abschlussberichtes zum Forschungsprojekt
Lebensdauer und Schädigungsmechanismen bei variabler Betriebsweise dickwandiger Gehäuse aus modernen Stahlgusswerkstoffen
(A 307 / S 0024/10239/16)
Laufzeit der Forschungsarbeiten: 01. Januar 2017 bis 31. Dezember 2020
Gegenstand des Vorhabens war die Untersuchung thermomechanischer Kriechermüdungsbelastungen von dickwandigen Gehäusebauteilen. Ziel war dabei u.a., eine harmonisierte Werkstoffmodellierung zur Beschreibung des Deformations- und Ermüdungsverhaltens im gesamten bauteilrelevanten Parameterbereich bereitzustellen, um eine umfangreiche und robuste Berechnung mittels der akkumulierten Schadenshypothese von dickwandigen Gehäusen nachzuschalten. Im Fokus der Untersuchungen standen die für Gehäuse- und Ventilbaukomponenten im Kraftwerks- und Anlagenbau häufig eingesetzten warmfesten Stahlgusswerkstoffe GX12CrMoVNbN9-1 (C91), GX13CrMoCoVNbNB9-2-1 (CB2) und G17CrMoV5-10 (G17).
Für Modellierungsarbeiten war eine umfassende Datenbasis vonnöten, weshalb zunächst aus vorhergehenden Forschungsvorhaben vorliegende Daten für die Werkstoffe gesichtet, bewertet und detailliert nachdigitalisiert wurden. Anschließend konnte die Datenbasis gezielt mit einem umfangreichen Versuchsprogramm an Warmzug-, Kriech-, Ermüdungs- und Kriechermüdungsversuchen erweitert werden. Die Eigenschaften und Kennwerte der untersuchten CB2 Schmelzen ordnen sich überwiegend in den erwarteten typischen Streubändern der Referenzschmelze ein. Die Zeitdehngrenzen und die Zeitstandfestigkeit des CB2 / BEG liegen tendenziell unterhalb der Mittelwertkurven. Ebenso zeigen sich im Falle einer zyklischen Ermüdungsbeanspruchung des CB2 / BEG nur leicht geringere Anrisswechselzahlen. Zur Bewertung des Kriechermüdungsverhaltens der Stahlgusswerkstoffe wurden isotherme und anisotherme betriebsähnliche Versuche jeweils mit Beanspruchungsdauern von rd. 3000 h mit uni- als auch biaxial belasteten Probekörpern durchgeführt. Hervorzuheben sind Validierungsversuche mit jeweils großen Temperaturänderungen hin bis zu 400 K, niedrige Rampendehnraten von 0,06 %/min und halbierten Heizraten von 14 K/min und Abkühlraten von 7 K/min, um An- und Abfahrvorgange bzw. Kaltstarts der thermischen Anlagen abzubilden.
Anhand der generierten Datenbasis wurden Werkstoffmodelle zur Beschreibung des elastisch- plastischen Ermüdungs- und Kriechermüdungsverhaltens weiter- bzw. neu entwickelt. Ein Beitrag hierbei leistet eine spezielle Selektion von Hysteresen und die Aufbereitung beider Hysteresehalbäste. In Falle von LCF Versuchen mit Haltezeiten wurden virtuelle Eckepunkte bestimmt und ergänzt. Dadurch konnten die Koeffizienten von zyklischen Fließkurven nach Ramberg-Osgood direkt an Hysteresehalbästen optimiert werden. Anschließend wurden die Koeffizienten jeweils mittels Scharfunktionen versehen, um Parametervariationen für Temperatur und Schwingspielzahlverhältnis zu ermöglichen. Daneben wurde eine Erweiterung der Anrisskennlinien nach Manson-Coffin für den elastischen und plastischen Anteil entwickelt. Mehrdimensionale Ansätze, globale Approximationsmethoden, logische Positionierung und Separation in Nieder- und Hochtemperaturmodellierung lassen nun eine implizite Berücksichtigung von Temperatur-, Haltezeit- und Dehnratenvariationen zu. Beide Methoden stellen eine ingenieurtechnische Erweiterung zur Bestimmung von Werkstoffkenngrößen dar, um eine implizit konsistente Synthese von Kurvenscharen unter Parametervariationen für die verallgemeinerte Schadensakkumulationshypothese bereitzustellen.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde am IfW Darmstadt ein Softwaretool zur Aufbereitung und optimierten Anpassung des harmonisierten Designraums unter Berücksichtigung von Ermüdungs- und Kriechermüdungsdaten entwickelt. Mit Hilfe der erzeugten Werkstoffmodelle ist allgemein eine gute Abschätzung des isothermen Ermüdungsverhaltens möglich. Über SARA Berechnungen konnten die Gleichungen und Ansätze der harmonisierten Parametersätze für weite Temperatur-, Haltezeit- und Dehnratenbereich validiert werden.
Die Software SARA selbst wurde dazu im Vorhaben maßgeblich weiterentwickelt. Ausgehend von den bis zu den Versionen SARA 6/7 in Fortran geschriebenen Programmen erfolgte eine vollständige Neufassung in der Programmiersprache Python. Mit der jetzt vorliegenden modularisierten Struktur der Software ist die notwendige Voraussetzung für zukünftige Erweiterungen gegeben. Die erfolgreiche Implementierung der Plateaudehnrate im betriebsähnlichen Lastfall zeigt bereits die Vorteile der Umstrukturierung. Die andere wesentliche Weiterentwicklung in SARA betrifft die Verwaltung der werkstoffabhängigen Modellparameter. Während diese in früheren Programmversionen ein Bestandteil des Quellcodes waren, liest die neue Version von SARA die Parameter aus einer textcodierten Datei ein. Mit der Trennung des Berechnungsalgorithmus von den Modellparametern können die aus der harmonisierten Modellierung stammenden Ergebnisse sofort für Lebensdauerbewertungen verwendet werden. Zusätzlich ist die Flexibilität gegeben, im Rahmen von Optimierungsvorgängen die Auswirkung modifizierter Modellierungen unmittelbar und ohne Änderungen an der eigentlichen Software SARA zu untersuchen. Neben den Betrachtungen zum mechanischen Verhalten wurden in diesem Forschungsprojekt umfangreiche Untersuchungen zur Mikrostrukturentwicklung am Stahlguss GX12CrMoVNbN9-1 C91 / BDD durchgeführt. Dies erfolgte experimentell anhand der Analysen mittels Transmissionselektronenmikroskopie, in dem die Subkorngrößen und Versetzungsdichten verschiedener Werkstoffzustände aus Kriech-, Ermüdungs-, konventionellen und komplexen Kriechermüdungsversuchen schwerpunktmäßig bei 600 °C ermittelt wurden. Die Erkenntnisse aus diesen Untersuchungen stellen einen wichtigen Schritt zur Quantifizierung der Änderungen in der Versetzungsstruktur bei komplexer Hochtemperaturbeanspruchung von martensitischen 9%Cr-Werkstoffen dar. Es zeigte sich dabei, dass der zyklische Anteil der Belastung einen signifikanten Einfluss auf die Erholungsprozesse in der martensitischen Mikrostruktur hat. Der Verlust der Stabilität der angelassenen martensitischen Subkornstruktur unter komplexen, überlagerten Beanspruchungen korreliert hierbei mit der Abnahme der Versetzungsdichte und der Vergröberung der Subkörner aufgrund von Umlagerungen von Versetzungen und stattfindenden dynamischen Erholungsprozessen. Diese ist je nach Versuchsart unterschiedlich ausgeprägt und hängt von der plastischen Dehnung und der Belastungshöhe ab. Wird die Mikrostruktur aus den Kriechermüdungsversuchen (konventionelle Kriechermüdungsversuche, iso- und anisotherme betriebsähnliche Versuche) der Mikrostruktur aus den langzeitigen Kriechversuchen gegenübergestellt, so fällt auf, dass die Subkorngrößen und Versetzungsdichten mit den Zuständen aus dem Kriechbereich vergleichbar sind für die Zeiten weit über 100.000 h bei gleicher Temperatur. Unter Kriechermüdungsbelastung werden ähnliche Größen bzw. eine relative Änderung der ermittelten Größen bereits nach sehr kurzen Zeiten erreicht und zwar innerhalb von 100 bis max. 3.000 h. Dies ist mit der Reduzierung der Kriechfestigkeit des Werkstoffs nach bereits kurzer Zeit verbunden. Grundsätzlich sind im Kriechermüdungsbereich bei der Subkorngröße stärkere Änderungen festzustellen, die Versetzungsdichte reagiert weniger sensitiv und fällt für alle (Kriech-) Ermüdungsversuche ähnlich aus.
Die entwickelten Werkstoffmodelle ermöglichen in Kombination mit dem grunderneuerten SARA eine flexiblere, objektvierte und robustere Abschätzung des Ermüdungs- und Deformationsverhaltens für den gesamten bauteilrelevanten Parameterbereich. Unter anisothermen Beanspruchungen wurden ebenfalls vielversprechende numerische Ergebnisse bei der Berechnung des Spannungsrelaxations- und Dehnungsverhalten erreicht. Durch das Forschungsvorhaben konnte somit ein wertvoller Beitrag im Hinblick auf Auslegung, Bewertung und Berechnung von hochtemperaturbeanspruchten dickwandigen Ventil- und Gehäusekomponenten geleistet werden. Zusätzlich stehen für die genannten Stahlgusswerkstoffe nach Abschluss des Vorhabens eine erweiterte Datenbasis, Werkzeuge zur harmonisierten Modellierung von zyklischen Fließkurven und Anrisskennlinien zur Anpassung von Ermüdungs- und Kriechermüdungsdaten sowie ein KORA/SARA Commandline-Tool für eine fortgeschrittene numerische Bewertung des Kriechermüdungsverhaltens zur Verfügung. Das Ziel des Vorhabens ist damit erreicht worden.
Forschungsstellen:
Institut für Werkstoffkunde (IfW), Technische Universität Darmstadt; Leiter: Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner
Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart; Leiter: Prof. Dr.-Ing. Stefan Weihe
vorgelegt über: Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V. (FVV), Frankfurt am Main
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
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