Langzeitkriechermüdungsrissverhalten

FKM 2006
Heft Nummer 293
Vorhaben Nr. 255

Kurzfassung:

Die Haltbarkeit von zahlreichen Komponenten des Kraftwerkbaus hängt in vielen Fällen vom Werkstoffverhalten an konstruktiv nicht vermeidbaren Kerben oder bei der Herstellung unvermeidbaren Fehlstellen 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 wolframhaitigen und wolframfreien Schmiede- und Gussstählen aus praxisnaher Fertigung das Risseinleitungs- und Rissfortschrittsver- halten unter langzeitiger statischer und niederzyklischer Beanspruchung bei 600 'C ermittelt. 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 seitengekerbten Kompaktzugproben (Cs) und doppelseitig gekerbten Flachzugproben (DENT) mit Proben- dicken bis 60 mm 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 wolframhaitigen und wolframfreien Werkstoffen sind vernachlässigbar. Zur Beschreibung der Kriechrissgeschwindigkeit kann sowohl auf den Parameter C* als auch auf den Spannungsintensitätsfaktor K1 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 Beziehung beschreiben, die unterschiedliche R-Verhältnisse berücksichtigt. Zur Ermittlung der Kriechermüdungsrisseinleitungsdauer an den 10%Cr-Stählen lässt sich auf das modifizierte 2KD und auf den Parameter C* zurück- greifen. Um kurze Haltezeiten und kleine R-Verhältnisse weiterhin konservativ bewerten zu können, ist eine Absenkung der jeweiligen Kriechrisseinleitungskurve notwendig. Bei der Ermittlung der Kriechermüdungsrissfort- schritt über eine Akkumulation aus Ermüdungs- und Kriechrissanteilen ergibt sich eine konservative Vorhersage. Mit Hilfe von TEM-Untersuchungen wurden die Ausscheidungs- sowie die Versetzungsstruktur für die wolframhaItigen Varianten ermittelt. Die Untersuchungen ergeben erste Hinweise auf änderungen der Mikrostruktur bei unterschiedlichen Spannungszuständen. Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse wie Anriss- und Rissforschrittskurven wurden in die vorhandene Werkstoffdatenbank implementiert und stehen im Programm HT -RISS, das im Rahmen des Vorhabens A202 entwickelt wurde, für die Berechnungen zur Verfügung. Somit ist die direkte Anwendung durch die Industrie möglich. C Insgesamt ließen sich die in vorangegangenen Untersuchungen an 1% CrMoNiV-Stählen gewonnenen Erkenntnisse und Regeln auch auf die vorliegenden 10% Cr-Stähle übertragen Berichtsumfang:
219 Seiten190 Abbildungen, 38 Tabellen, 2 Seiten Anhang Beginn der Arbeiten:
01.01.2002 Ende der Arbeiten:
30.09.05 Zuschußgeber:
AVIF-Nr. A 178 Forschungsstellen:
Institut für Werkstoffkunde, Technische Universität Darmstadt (lfW) Leitung:
Prof. Dr.-lng. Christina Berger Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart (MPA) Leitung:
Prof. Dr.-lng. habil. Eberhard Roos Bearbeiter:
Dr.-lng. Falk Müller, Dr.-lng.Alfred Scholz,IfW Darmstadt Dipl.-lng. Magdalena Machalowska, Dr.-lng. Andreas Klenk, MPA Stuttgart Obmann des Arbeitskreises:
Dr.-lng. Jürgen Ewald, Mülheim Vorsitzender des FKM-Vorstands:
Dipl.-lng. Waller Siepmann, Warstein