A105

Einfluss der Mehrachsigkeit auf die Kriechporenbildung und die zeitliche Schädigungsentwicklung bei typischen Kraftwerksbaustählen

(A105 S 24/01/96)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Juli 1996 – 30. Juni 1999

In diesem Vorhaben wurde der Einfluß der Mehrachsigkeit auf die Kriechporenbildung bei den Stählen 14MoV6-3, 10CrMo9-10 und X10CrMoVNb9-1 untersucht. Hierzu wurden Innendruckversuche an glatten und gekerbten Hohlzylindern durchgeführt. Um baulteilrelevante Mehrachsigkeitsgrade abbilden zu können, wurden die Proben zum Teil durch zusätzliche Axialkräfte beansprucht. Der Einsatz der applizierten HT-DMS ermöglichte die Ermittlung und Auswertung der lokalen Dehnung während der Belastung. Nach Erreichen unterschiedlicher Dehnwerte wurden die Proben ausgebaut, metallographisch untersucht und anhand unterschiedlicher Schädigungsparameter charakterisiert. Es zeigte sich, daß bei Unkenntnis des Belastungszustandes kein Zusammenhang zwischen dem Oberflächenbild der Schädigung und deren Tiefenverlauf über der Wanddicke abgeleitet werden kann. Parallel zu den experimentellen Untersuchungen wurden inelastische Finite Element (FE)-Analysen mit dem Programmsystem ABAQUS durchgeführt. Das Kriechgesetz nach Graham und Walles wurde hierzu über eine benutzerdefinierte Subroutine CREEP zur Berechnung des Fließ- und Kriechverhaltens verwendet. Die Parameter des Kriechgesetzes konnten durch Anpassung an einachsige Zeitstandversuche identifiziert werden.

Dabei zeigte sich für den Stahl 14MoV6-3, der eine ausgeprägte Neigung zur Kriechschädigung durch Mikroporen aufweist, eine deutliche Abhängigkeit der Porenanzahldichte von der größten Hauptdehnung sowie vom Mehrachsigkeitsquotienten. Eine für diesen Zusammenhang entwickelte Beziehung erlaubt in Kombination mit der FE-Analyse die näherungsweise Berechnung der zeitlichen und örtlichen Schädigungsentwicklung in bauteilähnlichen Geometrien. Der Stahl 10CrMo9-10 (luftvergütet) zeigte nur für hohe Mehrachsigkeitswerte eine Porenbildung, die jedoch das Bauteilverhalten nur unwesentlich beeinflußt. Beim Stahl X10CrMoVNb9-1 war ein deutlicher Chargeneinfluß auf Kriechduktilität und Porenbildung erkennbar. Die zur Hauptuntersuchung herangezogene Schmelze zeigte ebenso wie eine weitere Schmelze auch bei hohen Mehrachsigkeitsgraden (h=0,67) eine nur schwache Kriechporenbildung und gute Duktilitätseigenschaften im einachsigen Zeitstandversuch. Andere Schmelzen wiesen eine geringe Duktilität mit ausgesprochen starker Neigung zur Bildung von Kriechporen auf. Die Schmelzen unterschieden sich in der Wärmebehandlung und der chemischen Zusammensetzung. Beispielsweise lag der Kupfergehalt bei den duktilen Schmelzen bei 0,015 bzw. 0,024 % und bei den zur Porenbildung neigenden Schmelzen mit geringen Duktilitätseigenschaften (Zeitbruchdehnung, Zeitbrucheinschnürung) bei 0,109 bzw. 0,123 %. Aufgrund der Zahl der untersuchten Chargen kann der Einfluß verschiedener Legierungselemente hierauf nicht in statistisch abgesicherter Weise qualifiziert werden. Durch Bauteiluntersuchungen an betriebsbeanspruchten Rohrbögen aus 14MoV6-3 und 10CrMo9-10 wurden die an den Proben gefundenen Zusammenhänge zwischen Kriechporenbildung und größter Hauptdehnung sowie Mehrachsigkeitsquotient bestätigt. Mittels FE-Analyse konnte die zeitliche Entwicklung der Schädigung an verschiedenen Positionen über die Wanddicke eines glatten Hohlzylinders unter Innendruck berechnet und durch experimentelle Untersuchungen bestätigt werden. Weiterhin wurden FE-Analysen für einen Rohrbogen aus 14MoV6-3 unter den Belastungsarten Innendruck und Innendruck mit überlagertem, aufbiegendem Moment durchgeführt. Die berechnete Schädigungsentwicklung entspricht den Erfahrungen, wonach sich durch ein aufbiegendes Moment der Ort des Schädigungsbeginns vom Extrados zum Intrados verlagert.

Forschungsstelle 1:
Materialprüfungsanstalt Uni Stuttgart (MPA) Otto-Graf-Institut
www.mpa.uni-stuttgart.de
 
Forschungsleiter 1:
Prof. Dr.-Ing. habil. Eberhard Roos
(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