Beschreibung des Zeitdehnverhaltens warmfester Stähle unter zyklisch veränderter Zeitstandbeanspruch

FKM 2001
Heft Nummer 236
Vorhaben Nr. 182

An einer Reihe wichtiger warmfester Kraftwerksstähle wurde das Zeitstandverhalten unter recht- eckzyklischer Beanspruchung in Fortsetzung früherer Arbeiten in einem großen Parameterbe- reich untersucht. Es handelte sich um Versuche unter veränderter Spannung, unter veränderter Temperatur oder unter Veränderung beider Größen. Die bisher bis zum Bruch und zu höheren Dehnungen bis 2 % führenden Versuche wurden jetzt ergänzt durch Versuche bis zur niederen Dehnung von 0,2 % bei der üblichen Zyklenzahl von rd. 15. Die Versuche unter veränderter Spannung reichten bis zu intermittierenden Versuchen mit dem Spannungsverhältnis Null. Als weitere Ergänzung wurden die Versuche auf einen Stahl des Typs X 12 CrMoWVNbN 10 1 1 ausgedehnt. Ferner wurden Versuche mit zusätzlich eingeschobener Druckphase durch- bzw. weitergeführt. Alle Versuche wurden jetzt weitgehend abgeschlossen und ausgewertet. Das Ergebnis sind Bruchzeiten und Dehngrenzzeiten, die unter den zyklischen änderungen zwischen einer Grund- und einer Spitzenbeanspruchung zu erwarten sind. Diese Zeiten lassen sich aus- gehend von den Bruch- bzw. Dehngrenzzeiten für konstante .Grund- und Spitzenbeanspruchung mit Hilfe der modifizierten Lebensdaueranteilregel vorhersagen. Kennzeichnende Konstanten dieser Regel sind eine relative Bruchlebensdauer und dehnungsabhängige Werte einer relativen Dehnlebensdauer. Diese Konstanten sind durch ein Faktorenkonzept beschreibbar, das jetzt unter Hinzunahme einiger Ergebnisse aus einem Parallelvorhaben (AiF-Nr. 10396) überarbeitet und erweitert wurde. Das Faktorenkonzept enthält einen Werkstoffaktor, zwei Zyklusfaktoren, einen Temperaturfaktor, einen Dehnungsfaktor und einen Druckfaktor. Der Werkstoffaktor hängt von der Stahlart ab. Ein Zyklusfaktor ist für veränderte Spannung vorgesehen, einer für veränderte Temperatur. Beide Faktoren hängen von der Höhe und dem zeitlichen Ausmaß der entsprechenden Beanspruchungsänderung ab und können für gleichzeitige Spannungs- und Temperaturänderung kombiniert werden. Der Temperaturfaktor richtet sich nach der Höhe der überschreitung einer stahlsortenspezifischen Temperatur in der Nähe der unteren Anwendungstemperaturgrenze. Der Dehnungsfaktor ist von der erreichten Dehnung abhängig und nimmt für die relative Bruchlebensdauer den Wert Eins an. Der Druckfaktor berücksichtigt die Wirkung zusätzlich in den Rechteckzyklus eingeschobener Druckphasen begrenzten Ausmaßes. ln einem übergangsbereich der veränderlichen Zeitstandbeanspruchung zur konstanten Normalzeitstandbeanspruchung bedarf das Produkt aus Werkstofffaktor, Temperaturfaktor und gegebenenfalls Dehnungsfaktor einer Interpolation zum Wert Eins hin. Ein schon früher entwickeltes Programm LARA 2 zur Anwendung einer modifizierten Lebensdaueranteilregel mit dem Faktorenkonzept wurde weiterentwickelt zu einem modular aufgebauten Programm LARA 3, dessen Berechnungskern als Unterprogramm für einen Lebensdauerzähler verwendbar ist. Für LARA 3 wurden die aus dem Normalzeitstandversuch benötigten Zeitdehngrenzkurven und Zeitbruchkurven aller im Faktorenkonzept erfassten neun Stahlsorten in umfang- reichen Streubandauswertungen bestimmt, soweit sie bisher nicht vorhanden waren. Soweit erforderlich wurden diese Daten nicht nur in einer an Normwerte angepassten sondern auch in einer optimierten Version erstellt. Außerdem wurde in LARA 3 für Stähle mit hoher plastischer Anfangsdehnung eine gesonderte Akkumulation dieser Dehnung nach der Dehnungsverfestigungsregel eingerichtet, wobei die Akkumulation der Kriechdehnung unverändert mit der modifizierten Lebensdaueranteilregel erfolgt. Die hierfür benötigten Unterlagen wurden für die jeweiligen Stahlsorten in Gestalt von mittleren Fließkurven und von mittleren Zeitkriechgrenzkurven bereit- gestellt. Die relative Kriechlebensdauer ist für diese Fälle im Faktorenkonzept enthalten. Zusammen mit einer in einem Parallelvorhaben (AiF-Nr. 8972) vorgenommenen Erweiterung von LARA 3 auf mehrstufige Zeitstandbeanspruchung ist jetzt ein Programm verfügbar, mit dem sich Dehngrenzzeiten und Bruchzeiten unter zyklischer Zeitstandbeanspruchung in einem weiten, für Kraftwerksbauteile relevanten Beanspruchungsbereich vorhersagen lassen.