A174
Konstituve 1D-Gleichungen zur Beschreibung des zyklischen und regellosen Zeitstandverhaltens warmfester Kraftwerkstähle
(A174 S 24/10021/01)
Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Juli 2002 - 30. Juni 2005
Im abgeschlossenen Vorhaben wurde an einer Reihe kennzeichnender warmfester Stähle des Kraftwerks-, Turbinen- und Hochtemperaturanlagenbaues wurde das zyklische Kriech- und Zeitstandverhalten unter isothermer und anisothermer, rechteckzyklischer Beanspruchung ohne und mit Druckphase experimentell und theoretisch untersucht.
Am Beispiel des Schmiedestahls / Schmelze X12CrMoWVNbN10-1-1 / 1A / uA1 konnte gezeigt werden, dass das gewählte konstitutive Materialmodell das Potenzial besitzt, auf anisotherme, überelastische, zeitabhängige und gleichzeitig regellose Beanspruchungen mit vorherrschender Kriechschädigung angewendet zu werden. Die integrale Beschreibung der Verformungsmechanismen im niedrigen und hohen Spannungsbereich war nur durch eine Modifizierung des Visko-sitätsansatzes des viskoplastischen Werkstoffmodells mit einem von der viskosen Überspan-nung abhängigen Exponenten möglich.
Lebensdauerrechnungen mit einem modifizierten Kriechschädigungsansatz nach Rabotnov konnten anhand der spannungsgesteuerten Experimente mit schlüssigen Ergebnissen auch bei mehraxialer Beanspruchung in Kerbproben durchgeführt werden. Bei der Nachrechnung der dehnungsgeregelten, anisothermen Versuche mit betriebsähnlichen Rotorzyklus konnte bislang das Verformungsverhalten während der ersten Zyklen gut beschrieben werden, da der verwendete Kriechschädigungsansatz die Schädigungsvariable zu schnell ansteigen lässt.
Ferner konnte die Anwendbarkeit phänomenologischer Ansätze der Lebensdauerrechnung aus vorangegangenen Arbeiten auf die modernen, aktuell im Fokus stehenden Kraftwerksstähle X12¬CrMo¬WV¬NbN10-1-1, 23CrMoNiWV8-8, GX12CrMoWVNbN10-1-1, G17CrMoV5-10, X10¬CrMo¬VNb¬9-1 und X11¬CrMo¬WVNb¬N9-1-2 jeweils bis zur oberen Anwendungstemperatur gezeigt werden. Die experimentelle Datenbasis bildeten Versuche an glatten und gekerbten Proben bis rd. 3000h Laufzeit mit hoch auflösender Verformungsmessung. Der Vergleich der experimentell ermittelten Bruchzeit mit der über die Lebensdaueranteilregel bestimmten, rechnerischen Bruchzeit bestätigt für die vorliegenden Werkstoffe deren Anwendbarkeit bei gleicher Wertung von Druck- und Zugspannungen. Dies ist aus der verbreiteten Anwendung der Le-bensdaueranteilregel in den technischen Regelwerken ersichtlich.
Schließlich wurden anhand des experimentell bestimmten Spannungsverlaufs der anisothermen, dehnungsgeregelten Versuche mit betriebsnaher Kriechermüdungsbeanspruchung phänomenologische Lebensdauerrechnungen durchgeführt. Der kritische Lebensdauerverbrauch infolge Kriech- und Ermüdungsschädigung akkumulierte für diese Versuche auf Werte knapp unter eins. Für die untersuchten Beanspruchungszyklen überwiegt dabei für beide Werkstoffe der Anteil des kritischen Lebensdauerwertes aufgrund der Kriechschädigung.
Insgesamt wird mit dieser Arbeit zu einer verbesserten Charakterisierung des Bauteilverhaltens vor dem Hintergrund stärker belasteter Hochtemperaturbauteile mit zunehmend flexiblerer Betriebsweise beigetragen.
Forschungsstelle 1:
Institut für Werkstoffkunde der Technischen Universität Darmstadt (lfW)
www.tu-darmstadt.de/mpa-ifw
Forschungsleiter 1:
Prof.-Dr.-Ing. Christina Berger
(vorgelegt vom Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. (VDMA) für Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. (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