A112

Optimierung eines Konzeptes zur Modellierung des Kriech- bzw. Schädigungsverhaltens von Bauteilen aus warmfesten CrMoV-Stählen

(A112 S 24/18/96)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Januar 1997 – 31. Dezember 1998

Das Forschungsprojekt hatte zum Ziel, die im Vorgängerprojekt A 75 erfolgte Modellierung des Kriechverhaltens warmfester CrMoV-Stähle im Bereich der Schädigungsphase (tertiäres Kriechen) weiter zu verbessern. Eine möglichst realistische Beschreibung des Kriechverhaltens. Eine möglichst realistische 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.

Mit dem Robinson-Modell der inelastischen Verformung und dem Porenschädigungsmodell von Rodin und Parks als Basis, wurde ein  neuer Modellansatz entwickelt. 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.

Die bereits im Vorgängerprojekt AVIF A 75 erfolgte Nachrechnung des MPA-X 20 CrMoV 12 1-Rohrbogenversuchs bei 550o C (Laufzeit 30000 h) wurde wiederholt. Hierzu wurde das auf dehnungsbegrenztes Porenwachstum beschränkte modifizierte Kriech-/Schädigungsmodell (Robinson + Rodin und Parks) durch einen genaueren, zweiparametrigen Ansatz für die Porenschädigungsrate verbessert. Auf diese Weise konnten nicht nur die Dehnungen gut wiedergegeben werden, sondern auch metallografisch ermittelte Porenschädigungen wurden gut beschrieben.

Im  Zuge der weiteren Modellentwicklung wurde das erstellte Kriech-/Schädigungs-Kombinationsmodell durch das Fallenlassen der Beschränkung auf dehnungsbegrenztes Porenwachstum wesentlich verallgemeinert. Diese verallgemeinerte Modellversion sowie das ältere, auf dehnungsbegrenztes Porenwachstum beschränkte Modell wurden an Kriechdaten aus einachsigen Zeitstandversuchen angepaßt und die Anpassungsqualitäten miteinander verglichen. Hierbei zeigte sich eine deutliche Überlegenheit des verallgemeinerten Modells im Bereich mittlerer und hoher Spannungen. Dies ist dadurch zu erklären, daß die Voraussetzung dehnungsbegrenzten Porenwachstums für höhere Spannungen, d.h. höhere Kriechgeschwindigkeiten, nicht mehr als erfüllt anzusehen ist. Eine Veränderung der Mikrostruktur während des Kriechens wurde prinzipiell berücksichtigt, jedoch in Ermangelung von TEM-Untersuchungsergebnissen für den Stahl 14 MoV 6 3 nicht weiter verwendet.

Die an den Werkstoff 14 MoV 6 3 angepaßte verallgemeinerte Modellversion wurde zur Nachrechnung des in der MPA Stuttgart durchgeführten Zeitstandsversuchs an einem Rohrbogen aus chargengleichem Werkstoff 14 MoV 6 3 bei 550o C verwendet. Es zeigte sich, daß die Verteilung der Dehnungen und der Porenschädigung plausibel wiedergegeben wurden. Der ermittelte Ort maximaler Schädigung (Bogenscheitel, Intrados außen) war korrekt. Jedoch ergaben sich in diesem Anwendungsbeispiel Unterschätzungen der mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen ermittelten Dehnungen durch die Theorie, die nach 10000 h Laufzeit die 20%-Grenze überstiegen und nach der Gesamtlaufzeit des Versuchs von 25385 h 50% erreichten. Auch die metallografisch ermittelten Porenschädigungen wurden dementsprechend unterschätzt. Diese Diskrepanzen wurden auf Streuungen des Werkstoffverhaltens, auf Schwächen in der Anpassung der Modellparameter und möglicherweise auf fehlende TEM-Information zurückgeführt.

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