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A252

Bewertung von Bauteilen mit Fehlstellen in Abhängigkeit vom Kriechverformungsvermögen

(A252 S 24/10146/2007)

 

Laufzeit der Forschungsarbeiten:  1. Januar 2008 – 31. Dezember 2010

 

Komponenten und Bauteile akkumulieren im Betrieb unter hohen Temperaturen inelastische Verformungen. Bei Erreichen von Dehngrenzen (in der Regel 1% Kriechdehnung) werden überwachende Maßnahmen notwendig. 

Die Berechnung der Bauteilbeanspruchung erfordert die Kenntnis des Kriechverformungsverhaltens. Kommen Fehlstellen hinzu, wird deren Bewertung aufwendig und sie ist mit zusätzlichen Unsicherheiten behaftet. Eine Auswertung bisheriger Ergebnisse an 1%Cr-Stählen und 10%Cr-Stählen lässt die Vermutung zu, dass es in Abhängigkeit der Werkstoffduktilität eine minimale Fehlergröße gibt, unterhalb welcher Risswachstum (Zeitpunkt) nicht vor Erreichen der durch die Zeitstandauslegung ermittelten Betriebsdauer (Erreichen von 1% Kriechdehnung) der fehlerfreien Komponenten beginnt. 

Ziel des Vorhabens war es, anwendbare Unterlagen bereitzustellen aus welchen Hervorgeht, wie und wann bei bestimmter Werkstoffduktilität (Bruchverformungsvermögen) Vereinfachungen bei der Beschreibung des Rissverhaltens unter Kriechbeanspruchung genutzt werden können.

Numerische und analytische Untersuchungen führten zur Festlegung der Fehlergröße in Abhängigkeit von der Zeitbruchdehnung. Die Untersuchungen decken dabei praxisrelevante Beanspruchungszeiten bis 200.000 h ab. Hierfür wurde eine dehnungsbasierte Beschreibung des Rissinitiierungsverhaltens entwickelt, welche im Gegensatz zu bisherigen spannungsbasierten Beschreibungskonzepten den Einfluss der Werkstoffduktilität beinhaltet. Für die Übertragbarkeit auf Komponenten mit eingeschränkter Querverformung wurde eine Referenzdehnung eingeführt sowie deren Bezug zur Zeitbruchdehnung ermittelt. Somit konnte die Fehlergröße für die Ligamentdehnungen von 1 % und 0,5 % sowie stichprobenartig für 0,2 % in Abhängigkeit der Zeitbruchdehnung ermittelt werden. Die so ermittelten Risskonfigurationen wurden anhand des spannungsbasierten Zwei-Kriterien-Diagramms bewertet und der Einfluss der Duktilität auf dessen Form im Bereich Ligamentschädigung untersucht. Über direkte Einbindung des Mehrachsigkeitseinflusses auf die Schädigungsentwicklung konnte der lokale Verformungs- und Schädigungszustand der Zeitstandproben sowie der Bruchmechanikproben untersucht werden und das dehnungsbasierte Bewertungskonzept anhand des Vergleichs mit den untersuchten Proben validiert werden. Abschließend wurde der Zusammenhang zwischen der Fehlergrenze<s> </s>und der Zeitbruchdehnung durch eine analytische Näherungsbeziehung untersucht. Hierdurch konnte die Größenordnung der numerisch ermittelten Fehlergrenzwerte bestätigt werden.

Mit den Ergebnissen des Vorhabens wurde gezeigt, dass sich abhängig von den Duktilitätseigenschaften des Werkstoffes eine Anfangrisslänge ermitteln lässt, für welche ein vereinfachter bruchmechanischer Nachweis geführt werden kann. Dies wurde anhand von symmetrischen beanspruchten Proben durchgeführt. Bei realen Bauteilen kann es jedoch zu einem Gradienten in der Nennspannung kommen, wie beispielsweise durch Fliehkräfte in einer Turbinenwelle. Für solche Beanspruchungsfälle wurden im Vorhaben nur zwei Proben untersucht. Eine Erweiterung der Beschreibung der Rissinitiierung und des Rissfortschrittsverhaltens sowie der Validierung des dehnungsbasierten Beschreibungskonzeptes unter Gradienteneinfluss und Kriechermüdungsbedingungen sind deshalb noch durchzuführen.

 

Forschungsstellen:

Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart (MPA), Otto-Graf-Institut, Stuttgart

http://www.mpa.uni-stuttgart.de/

Institut für Werkstoffkunde der TU Darmstadt (IfW)

http://www.tu-darmstadt.de/mpa-ifw

 

Forschungsleiter:

Prof. Dr.-Ing. habil E. Roos / Prof. Dr.-Ing. C. Berger

                                                  

(vorgelegt vom Verband Deutscher Maschinen und Anlagenbau e.V. e.V. (VDMA) für

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

05.09.2012