A178

Kriech- und Kriechermüdungsrissverhalten moderner Kraftwerksstähle im Langzeitbereich

(A178 S 24/10025/01)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Januar 2002 - 30. September 2005

Die Haltbarkeit von zahlreichen Komponenten des Kraftwerksbaus hängt in vielen Fällen vom Werkstoffverhalten  an konstruktiv nicht vermeidbaren Kerben oder an Fehlstellen, die bei der Herstellung unvermeidbar sind, ab. Aus diesem Grund ist eine zuverlässige Beschreibung des Rissverhaltens im Kriech- und Kriechermüdungsbereich von großer Bedeutung.

Ziel des Vorhabens war die Ermittlung und Beschreibung des Kriechermüdungsrissverhaltens moderner 10%Cr-Stähle für Wellen und Gehäuse von Dampfturbinen im anwendungsnahen Langzeitbereich. Hierzu wurden an wolframhaltigen und wolframfreien Schmiede- und Gussstählen aus praxisnaher Fertigung das Risseinleitungs- und Rissfortschrittsverhalten unter langzeitiger statischer und niederzyklischer Beanspruchung bei 600 °C ermittelt. Ergänzende Untersuchungen zum Kriechrissverhalten wurden bei 550 0 C durchgeführt.

Die bei instationären Betriebsbedingungen auftretende Kriechermüdungsbeanspruchung wurde in Zugschwellversuchen unter Variation der Haltezeit und des Spannungsverhältnisses untersucht. Zur Untersuchung von Geometrie- und Größeneinflüssen wurden die Versuche an Bruchmechanikproben des Typs CT an DENT durchgeführt.

An den untersuchten Werkstoffen lässt sich die Kriechrisseinleitung mit den auf Cs25-Proben basierenden Methoden wie Zweikriteriendiagramm (2KD), Nikbin-Smith-Webster-Model (NSW-Model) und Time Dependent Failure Assessment Diagram (TDFAD) konservativ vorhersagen. Die bei der Beschreibung der Kriechrisseinleitung im Kurzzeitbereich festgestellte Geometrie- und Größenabhängigkeit geht auch im Langzeitbereich nicht verloren. Die jeweiligen Schmiedeversionen zeigen gegenüber den Gussversionen geringe Vorteile. Dies wurde durch besser gestützte Anrisskurven auch im Langzeitbereich bestätigt. Die Unterschiede zwischen wolframhaltigen und wolframfreien Werkstoffen sind vernachlässigbar.

Zur Beschreibung der Kriechrissgeschwindigkeit kann sowohl auf den Parameter C* als auch auf den Spannungsintensitätsfaktor KI zurückgegriffen werden. Nach den gängigen Gültigkeitskriterien ist der Parameter C* zu bevorzugen, wobei die Verwendung des Spannungsintensitätsfaktors KI keine Nachteile aufweist.

Das Ermüdungsrissfortschrittsverhalten lässt sich relativ gut mit einer „Universal-Ermüdungsrissfortschrittsgleichung“ unter Berücksichtigung unterschiedlicher R-Verhältnisse beschreiben. Zur Ermittlung der Kriechermüdungsrisseinleitungsdauer an den 10%Cr-Stählen lässt sich auf das modifizierte 2KD und auf den Parameter C* zurückgreifen. Um kurze Haltezeiten und kleine R-Verhältnisse weiterhin konservativ bewerten zu können, ist eine Absenkung der jeweiligen Kriechrisseinleitungskurve notwendig.

Wird der Kriechermüdungsrissfortschritt über eine Akkumulation aus Ermüdungs- und Kriechrissanteilen ermittelt, ergibt sich eine konservative Vorhersage.

Mit Hilfe von TEM-Untersuchungen wurden die Ausscheidungs- sowie die Versetzungsstruktur für die wolframhaltigen Schmiedestahl X12CrMoWVNbN10-1-1/1A und für den Stahlguss GX12CrMoWVNbN10-1-1/2A charakterisiert. Um endgültige Schlüsse hinsichtlich des Einflusses der Mehrachsigkeit des Spannungszustandes auf die Mikrostruktur ziehen zu können, sind weitere Analysen der unterschiedlichen Zustände erforderlich. Die Möglichkeit einer Korrelation zwischen den Berechnungsverfahren zur Rissbeschreibung und den mikrostrukturellen Vorgängen bedarf ebenfalls weiterer Untersuchung und Überprüfung.

Insgesamt ließen sich die in vorangegangenen Untersuchungen an 1%CrMoNiV-Stählen gewonnenen Erkenntnisse und Regeln auch auf die vorliegenden 10%Cr-Stähle übertragen.

Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse wie Anriss- und Rissfortschrittskurven wurden in die vorhandene Werkstoffdatenbank implementiert und stehen somit anwenderfreundlich für Berechnungen zur Verfügung.

Forschungsstelle 1:
Institut für Werkstoffkunde der Technischen Universität Darmstadt (lfW)
www.tu-darmstadt.de/mpa-ifw
 
Forschungsleiter 1:
Prof. Dr.-Ing. Christina Berger

Forschungsstelle 2:
Materialprüfungsanstalt Uni Stuttgart (MPA) Otto-Graf-Institut
www.mpa.uni-stuttgart.de
 
Forschungsleiter 2:
Prof. Dr.-Ing. habil E. Roos

(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