A096

Rechnergestützte Beschreibung des mehrstufigen betriebsähnlichen Langzeitdehnwechselverhaltens warmfester Kraftwerkstähle

(A096 S 24/12/95)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Juli 1995 – 31. März 2000

Zur Vorhersage des Kriechermüdungsverhalten unter ein- und mehrstufiger betriebsähnlicher Dehnwechselbeanspruchung, wie sie an der beheizten Oberfläche massiver Bauteile auftritt, wurde erstmals eine rechnergestützte Beschreibung in Form eines Programms SARA 2 (Schadenakkumulation zur Rechneranwendung) erstellt. SARA 2 ist zur direkten Anwendung für Berechner und Konstrukteure geeignet. Die Kriechermüdungsbeschreibung konzentriert sich auf die warmfesten Stähle 28 CrMoNiV 49  und X 21 CrMoV 12 1 für Turbinenwellen und große Schmierstücke. Als experimentelle Grundlage wurden betriebsähnliche Ein- und Dreistufenwechselversuche, bei denen es sich teilweise um besonders langzeitige Versuche aus vorangegangenen Vorhaben handelte, fortgeführt und abgeschlossen. Ein Dreistufenversuch umfast eine Druckdehnungsphase für Anfahren des Bauteiles, eine Nulldehnungsphase für den Betrieb und eine Zugdehnungsphase für Abfahren. Ein Dreistufenversuch umfaßt eine Mischung von Kalt- Warm- und Heißstartzyklen, wie sie für den Mittellastbetrieb eines Kraftwerkes typisch ist. Bei den Ein- und Drei-Stufenversuchen handelt es sich um anisotherme und isotherme Versuche sowie um isotherm durchgeführte paketierte Langzeitversuche mit abwechselnder Dehnwechsel- und Zeitstandbeanspruchung. Die Einstufenbeanspruchung führte am Stahl 28 CrMoNiV 4 9 zu längsten Anrißdauern von rd. 70 000 h bei 5250 C und rd. 35 000 h bei 5000 C. Am Stahl X 21 CrMoV 12 1 wurden Anrißdauern von bis zu rd. 35 000 h bei 5500 C und rd. 41 000 h bei 6000 C erreicht. Die paketierten Dreistufenversuche wurden am Stahl 28 CrMoNiV 4 9 bei 5250 C und am Stahl X 21 CrMoV 12 1 bei 5500 C durchgeführt und erreichten längste Anrißdauern von rd. 15 000 h bzw. 13 000 h. Bei einem nur stichprobenartig untersuchten Stahl X 2 CrNiMoN 17 12 liegt erst eine schwächere Datenbasis mi Anrißdauern bis zu rd. 20 000 h unter Einstufenbeanspruchung vor, so daß dieser Stahl in die rechnergestützte Beschreibung nicht aufgenommen wurde.

Wie schon am Stahl 28 CrMoNiV 4 9 führte die isotherme Dreistufenbeanspruchung auch am Stahl X 21 CrMoV 12 1 gegenüber der betriebsnäheren anisothermen Dreistufenbeanspruchung mit höchstens um 20% verminderter Anrißwechselzahl maßvoll auf die sichere Seite, wie das schon früher für Einstufenbeanspruchung ermittelt wurde. SARA 2 beschränkt sich daher auf isotherme Zyklen bei vorgegebener Maximaltemperatur. Auch bei der Dreistufenbeanspruchung zeigte sich, daß die Neigung zu zyklischer Entfestigung mit abnehmender Dehnungsschwingbreite zurückgeht, wie das schon früher für langzeitige Einstufenbeanspruchung beobachtet worden war. An den beiden schwerpunktmäßig untersuchten Stählen wurde die bisher Rampendehngeschwindigkeit von 6%/min durchgeführten Versuche durch Versuche mit 0,06 %/min ergänzt. Die Analyse der Kriechermüdungsschädigung der jetzt abgeschlossenen Dreistufenversuche auf der Grundlage der verallgemeinerten Schadenakkumulationshypothese unter Anwendung eines verfeinerten und eines optimierten Auswertungs- und Vorhersageverfahrens ergab, daß sich die Werte der relativen Kriechermüdungslebensdauer für Dreistufenbeanspruchung in das schon langzeitig abgesicherte Streuband für Einstufenbeanspruchung einordnen.

Das Programm SARA 2 wurde zur anwenderfreundlichen Nutzung der in vorangegangenen Vorhaben begonnenen und jetzt abgerundeten Beschreibung des mehrstufigen Kriechermüdungsverhaltens erstellt. Auf der Grundlage von Regeln zur Beschreibung von zyklischer Verformung und Schädigung ermittelt SARA 2 für beliebig vorgebbare Teilzyklen einen Vorhersagewert für die Anreißwechselzahl bzw. die Anrißdauer. Dabei lassen sich die Teilzyklen zu Zyklusfolgen und Folgenserien zusammenschließen. Zur Klassierung der Teilzyklen wird in SARA 2 das Rangemean-Verfahren eingesetzt, das zu ähnlichen Vorhersagen wie das Rainflow-Verfahren führt. Für jeden Teilzyklus wird eine Spannungs-Dehnungs-Hystereschleife synthetisiert und es werden rechnerische Kriechermüdungsschädigungsanteile ermittelt. Deren fortlaufende Akkumulation bis zu einem kritischen Kriechermüdungslebensdauerwert liefert den Vorhersagewert für die Anrißwechselzahl bzw. die Anrißdauer. SARA 2 zieht Kriechkurven, Zeitbruchkurven, zyklische Fließkurven und Anrißlinien ohne und mit kurzer Haltezeit heran, die als interne Daten gespeichert oder als externe Daten vorgebbar sind. Ferner enthält SARA 2 Faktoren zur Berücksichtigung längerer Haltezeiten sowie eine Prozedur zur Berücksichtigung von unsymmetrischer Zug- und Druckdehnung. Die Kriechermüdungsbeschreibung wurde durch Extrapolation auf eine betriebsnahe Rampendehngeschwindigkeit von 0,003%/min eingerichtet. Die Akkumulation der rechnerischen Kriechermüdungsschädigung ist in SARA 2 noch beschränkt auf isotherme Zyklen mit Temperaturen von 5000 oder 5250 C beim Stahl 28 CrMoNiV 4 9 sowie 5500 oder 6000 C beim Stahl X 21 CrMoV 12 1, ferner auf die internen Daten jeweils eines typischen Versuchswerkstoffes dieser Stähle und außerdem auf das einfacher anwendbare verfeinerte Vorhersageverfahrens. Eine zukünftige Erweiterung auf interpolierbare Temperaturen und Rampendehngeschwindigkeiten, anisotherme Zyklen und die Vorhersage für die Stahlsorten ist aber vorgesehen. Mit SARA 2 vorhergesagte Werte und experimentell ermittelte Anrißwechselzahlen zeigen aber schon jetzt gute Übereinstimmungen für isotherme Ein- und Dreistufenbeanspruchung in einem weiten Anwendungsbereich. Im Gebiet kleiner Dehnwechselschadensanteile ergibt sich außerdem ein guter Übergang zu Vorhersagen mit einem Programm LARA 3 für zyklische Zeitstandbeanspruchung.

Forschungsstelle 1:
Institut für Werkstoffkunde der Technischen Universität Darmstadt (lfW)
www.tu-darmstadt.de/mpa-ifw
 
Forschungsleiter 1:
Prof.Dr.-Ing. C. Berger
(vorgelegt vom Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. – VDMA für FKM)

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