A075

Erstellung eines Konzeptes zur Modellierung des Kriech- bzw. Schädigungsverhaltens von Bauteilen aus warmfesten CrMoV-Stählen unter mehrachsiger Beanspruchung unter Berücksichtigung der Schädigung durch Porenbildung

(A075 S 24/11/93)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Juli.1993 – 31. Dezember.1996

Das Forschungsprojekt hatte zum Ziel, das Kriechverhalten warmfester CrMoV-Stähle im gesamten Kriechbereich einschließlich der Schädigungsphase (tertiäres Kriechen) zu modellieren. Die mathematische Beschreibung des Kriechverhaltens einschließlich der Schädigung ist notwendig zur Berechnung von Verformungen, Spannungen und Schädigungen in Bauteilen unter Langzeitbelastung. Dies läßt Rückschlüsse auf die zu erwartende Restlebensdauer zu.

Bisherige Modelle ("unified models") des Kriechverhaltens beschränken sich auf den Primär- und Sekundärkriechbereich. Unabhängig hiervon gibt es mathematische Modelle, welche die Porenschädigung beschreiben. Die Kombination beider Modelle zu einem Gesamtmodell, welches das Kriechverhalten vollständig bis in den Tertiärbereich wiedergibt, war Gegenstand des vorliegenden Projekts. Dies ist wichtig für eine realistische Berechnung des Bauteilverhaltens unter Langzeitbelastung.

Das gesetzte Ziel wurde erreicht durch die Darstellung der Wechselwirkung zwischen Verformung und Porenschädigung. Aufgrund dieser Überlegungen wurde ein neuer Modellansatz entwickelt, bei welchem ein anisotroper Porenschädigungsparameter (Tensor) verwendet ist. Ausgangsbasis hierzu waren das Robinson-Modell der inelastischen Verformung und das Porenschädigungsmodell von Rodin und Parks. Dabei war das bisherige Vorgehen von Rodin und Parks entsprechend den neuen Anforderungen (Übergang vom stationären zum allgemeinen Fall) zu revidieren. Zusätzlich wurde neu eine anisotrope Beschreibung der Porenschädigung eingeführt. Dies ist bei mehrachsigen Belastungsverhältnissen wichtig. Weiter wurde das Modell allgemein für beliebige Kriechgeschwindigkeiten formuliert, d.h. die bisherige Beschränkung auf Langzeitstandversuche (dehnungsbegrenztes Porenwachstum) konnte fallengelassen werden.

Dieses neu entwickelte Modell wurde zunächst unter der Voraussetzung dehnungsbegrenzten Porenwachstums für den Werkstoff X 20 CrMoV 12 1 an gemessene Gesamtdehnungswerte aus einachsigen Zeitstandversuchen unter konstanter Last bei 550 0C angepaßt und in das Finite-Elemente-Programm ABAQUS implementiert. Mit dem auf diese Weise angepaßten Modell wurde ein an der MPA Stuttgart bei 550 0C an einem Rohrbogen aus chargengleichem Werkstoff X 20 CrMoV 12 1 durchgeführter Langzeitstandversuch mit Hilfe des Finite-Elemente-Programms ABAQUS nachgerechnet. Die Berechnung wurde bis zu einer Laufzeit von 30 000 h durchgeführt. Das Ergebnis ist zufriedenstellend: Die an ausgesuchten Knotenpunkten berechneten Werte der mechanischen Gesamtdehnung stimmen gut mit entsprechenden Meßwerten überein. Die berechneten Zahlenwerte der Porenschädigung zeigen, daß der tertiäre Kriechbereich örtlich erreicht wurde.

Die Ergebnisse zeigen, daß die Anwendung sogenannter "unified models" zur Beschreibung von Verformung und Schädigung technischer Bauteile eine erfolgversprechende Alternative zu herkömmlichen analytischen Verfahren darstellt. Dies folgt aus der Tatsache, daß diese Modelle eine bessere Beurteilung des Bauteilverhaltens unter mehrachsiger Belastung gestatten und daß trotz erhöhten Rechenaufwandes Finite-Elemente-Berechnungen durchführbar sind. Die beim Rechengang mitgeführten Schädigungsparameter bieten eine Möglichkeit, Schädigung durch plastische Verformung sowie Kriechschädigung durch Porenbildung zu erfassen und zu bewerten. Die in diesem Projekt vorgestellten Neuerungen in der Modellentwicklung (anisotrope Darstellung der Porenschädigung, Fallenlassen der bisherigen Beschränkung der Porenschädigungstheorie auf langsame Kriechversuche) lassen auch weiterhin eine Fortsetzung dieser Arbeiten sinnvoll erscheinen. Diese erfolgt im Fortsetzungsprojekt A112. Dort ist auch zu klären, wie die Einbeziehung mikrostruktureller Änderungen die Ergebnisse beeinflußt und ob bzw. inwieweit durchstrahlungselektronenmikroskopische Untersuchungen notwendig sind.

Forschungsstelle 1:
Materialprüfungsanstalt Uni Stuttgart (MPA) Otto-Graf-Institut
www.mpa.uni-stuttgart.de
 
Forschungsleiter 1:
Dr.rer.nat. Wolfgang Gaudig
(vorgelegt vom Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. für Forschungskuratorium Maschinenbau e.V.)

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

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF