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A269

Zur Schädigungsentwicklung mehrachsig und anisotherm hochbeanspruchter dickwandiger Gehäuse moderner thermischer Maschinen und Anlagen

 

S 24/10179/2010)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Januar 2011 – 31. März 2015


Das vorliegende Vorhaben hatte die Ermittlung und Bewertung der Schädigungsentwicklung hoch beanspruchter Stahlgusswerkstoffe für dickwandige Gehäuse moderner thermischer Maschinen und Anlagen unter isothermer bzw. anisothermer Kriechermüdungsbeanspruchung zum Ziel. Es wurden die drei typischen warmfesten Stahlgusswerkstoffe GX12CrMoVNbN9-1 (C91), GX13CrMoCoVNbNB9-2-1 (CB2) und G17CrMoV5-10 untersucht, wobei die entsprechende Datenbasis zur Modellierung von Verformung und Lebensdauer geschaffen wurde. Im Mittelpunkt stand die Weiterentwicklung neuer Methoden zur Lebensdauerabschätzung mit Berücksichtigung der Kriecher­müdungsschädigung. Zum einen wurde ein ingenieurmäßiger Ansatz als akkumulatives Rechenmodell verfolgt. Zum anderen wurde ein konstitutives Modell angepasst, welches vorteilhaft Entwicklungsgleichungen für Schädigung und Mehrachsigkeit beinhaltet. Die Schädigungsansätze zur Modellierung von Ermüdungs- und Kriechschädigung wurden auf den vorliegenden Fall der Kriechermüdungswechselwirkung auch unter wechselnden Temperaturen weiterentwickelt. Zur Validierung wurden Experimente unter betriebsnaher Beanspruchung teilweise auch an Kreuz- und Kerbproben durchgeführt.

Die Modellierung des Kriech- und zyklischen Verformungsverhaltens erfolgte temperatur­abhängig mit einem Schwerpunkt bei der Hauptanwendungstemperatur der entsprechenden Werkstoffe. Im Vergleich zu den feinkörnigeren Schmiedestählen ließen sich Unterschiede in der Festigkeit und im Duktilitätsverhalten aufzeigen. Beide Rechenmodelle wurden entsprechend der Datenbasis weiterentwickelt. Die Nachrechnung von komplexen Validierungsversuchen zeigt ein akzeptables Ergebnis innerhalb eines Streubands des Faktors zwei, wie es sich auch bei den Schmiedestählen vorangegangener Vorhaben gezeigt hatte. Bei den Validierungs­versuchen handelt es sich um einaxiale isotherme und betriebsnahe, thermomechanische Kriechermüdungsversuche teilweise mit Zyklusdauer bis rd. 11 h und Versuchsdauer von rd. 3000h sowie um Versuche an Kerb- und Kreuzproben. Hinsichtlich der Kennwerte für rechnerischen Lebensdauerverbrauch zeigen sich prinzipiell nur geringe Unterschiede zwischen Stahlguss und Schmiedestählen, wobei auch hier relativ niedrigere Werte bei thermomechanischer Beanspruchung ermittelt wurden und damit weitergehender Unter­suchungsbedarf aufgezeigt wurde. Zur Nachbildung der Primär- und Sekundär­beanspruchung von Bauteilen ließ sich in einem neuartigen Versuchsablauf die komplexe Wechselwirkung darstellen. Die Änderung der Mikrostruktur wurde exemplarisch an einem Fall mit kurzer Haltezeit und zeitabhängig ausgebauten Ermüdungsproben charakterisiert, wobei sich eine Vergrößerung der Ausscheidungen vom Typ M23C6 und damit einhergehend eine zyklische Entfestigung abzeichnet, deren Absicherung zukünftigen Arbeiten vorbehalten bleibt.





Forschungsstelle 1:
Institut für Werkstoffkunde der TU Darmstadt (IfW)
http://www.mpa-ifw.tu-darmstadt.de


Forschungsleiter:
Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner


(vorgelegt vom Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. (VDMA) für die Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V. (FVV))

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


 


 
 
 

22.04.2015