Beschreibung des Verformungs-, Festigkeits- und Versagensverhaltens von Komponenten im Kriechbereich unter instationärer Beanspruchung mit einem elastisch-viskoplastischen Werkstoffmodell

Abstract

Der Beanspruchungsverlauf in Turbinenwellen kann charakterisiert werden durch einen stationären Betrieb im Kriechbereich und eine begrenzte Anzahl von An- und Abfahrten, die dem LCF-Bereich zuzuordnen sind. Der Werkstoff unterliegt dabei komplexen mechanischen und thermischen Beanspruchungen. Im stationären Betrieb ändert sich der mehrachsige Spannungszustand infolge zeitabhängiger Verformungsvorgänge, wodurch die Spannungsspitzen deutlich reduziert werden. Durch An- und Abfahrten wird der Spannungszustand des stationären Betriebs gestört, wobei eine zusätzliche Plastifizierung des Werkstoffs auftreten kann. Daneben tritt eine Ermüdungsschädigung auf, die das nachfolgende Kriechen negativ beeinflusst. Für den weiteren Betrieb hat dieses gegenüber einer Fahrweise ohne Laständerungen einen veränderten Spannungszustand und abweichendes Kriechverhalten zur Folge. Zur Beschreibung des Verformungs- und Versagensverhaltens von Turbinenwellen sind auf Kriechgleichungen basierende konventionelle Berechnungsansätze ungeeignet, da diese die Wechselwirkung zwischen Kriechen und Ermüden sowie deren Gesamtwirkung auf das Verformungs- und Versagensverhalten nicht erfassen. Einen Ausweg bieten viskoplastische Werkstoffmodelle. Im Gegensatz zu den Ansätzen der klassischen Plastizitäts- und Kriechtheorie, die beide Vorgänge als unabhängig voneinander betrachten, beschreiben derartige Werkstoffmodelle alle auftretenden Effekte im Materialverhalten durch übergeordnete Formulierungen. Durch diese Vereinheitlichung der zeitunabhängigen und zeitabhängigen bleibenden Dehnungen können die Wechselwirkungen zwischen Kriechen und Ermüden erfasst werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein derartiges viskoplastisches Werkstoffmodell zu ertüchtigen und zu verifizieren, welches das Verformungs- und Versagensverhalten von typischen Dampfturbinenwerkstoffen unter mehrachsiger Kriechermüdungsbeanspruchung in Turbinenwellen beschreibt. Zur Ermittlung des Werkstoffverhaltens von Turbinenwellen unter praxisnahen Bedingungen wurden für die Versuchswerkstoffe 30CrMoNiV5-11 und X12CrMoWVNbN10-1-1 bei werkstoffcharakteristischen Anwendungstemperaturen von 550 bzw. 600 °C Kriechermüdungsversuche an Hohlzylinderproben durchgeführt. Dabei wurden die Proben einer über der Zeit veränderlichen kombinierten Beanspruchung unterworfen, die einem aus der Praxis abgeleiteten Beanspruchungszyklus entspricht. Bei den Versuchen trat Versagen deutlich früher ein, als durch eine lineare Überlagerung von Erschöpfungsanteilen für Kriechen und Ermüden abgeschätzt wurde. Zur Beschreibung des Verformungs- und Schädigungsverhaltens unter Kriechermüdungsbeanspruchung wurde ein elastisch-viskoplastisches Werkstoffmodell ertüchtigt. Da das Kriechen für niedrige Beanspruchung vorwiegend diffusionsgesteuert, für hohe Lasten dagegen versetzungsgesteuert ist, wurden zur besseren Beschreibung des Kriechverhaltens zwei inelastische Dehnraten modelliert. Dabei ergibt die Summe der beiden inelastischen Dehnraten die Kriechgeschwindigkeit. Das Festigkeitsänderungsverhalten des Werkstoffs unter statischer und zyklischer Beanspruchung wurde in der Modellierung durch kinematische und isotrope Variablen erfasst. Zusätzlich enthält das Modell zwei Schädigungsparameter zur Beschreibung der Kriech- und Ermüdungsschädigung. Diese können zur Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen Zeitstand- und Ermüdungsschädigung nichtlinear überlagert werden, wodurch die gesamte schädigende Wirkung auf das Verformungs- und Versagensverhalten besser beschrieben werden kann. Die Ermittlung der Modellparameter erfolgte durch Anpassung an eine umfangreiche Werkstoffdatenbasis, bestehend aus Warmzug-, Ermüdungs- und Zeitstandversuchen. Es konnte gezeigt werden, dass mit den ermittelten Parametern das einachsige Werkstoffverhalten hervorragend beschrieben werden kann. Mit dem für die Werkstoffe 30CrMoNiV5-11 und X12CrMoWVNbN10-1-1 angepassten Werkstoffmodell wurden die mehrachsigen Kriechermüdungsversuche nachgerechnet. Dabei konnten die Verformungsverläufe der Kriechermüdungsversuche für die beiden Werkstoffe gut bis zum Erreichen des tertiären Kriechbereichs unter Verwendung der Vergleichsspannungshypothese nach von Mises beschrieben werden. Der Zeitpunkt des tertiären Kriechens und des Versagens wurde zunächst nur unbefriedigend wiedergegeben. Durch eine stärkere Berücksichtigung des Einflusses der Ermüdungsschädigung auf das nachfolgende Kriechverhalten konnte zusätzlich das tertiäre Kriechen der Kriechermüdungsversuche gut erfasst werden. Mit einer erweiterten Schädigungsbetrachtung konnte das Versagensverhalten mit einer Abweichung von nur 10 % zum Experiment berechnet werden. Ein wesentlicher Vorteil des ertüchtigten Werkstoffmodells ist, dass es eine geschlossene Beschreibung des Ablaufs der Verformung- und Schädigungsvorgänge bei zeitabhängiger Beanspruchung von Bauteilen ermöglicht.

The loading history in turbine rotors can be described as a stationary service within creep range and a limited number of starts and shut downs, which can be assigned to the LCF-range. In service, the rotor material is exposed to complex mechanical and thermal loads. Due to time-dependent deformation processes, the multi-axial stress condition varies during stationary service, thereby reducing the peak stresses considerably. By the starts and shut downs, the stress condition of the stationary service is disturbed and occasionally accompanied with an additional plastific deformation of the rotor material. Furthermore, fatigue damage occurs, which has a negative effect on the subsequent creep behavior. When compared to operating without load changes, this means a changed stress condition for the continuing service as well as a deviating creep behavior. To describe the deformation and failure behavior of turbine rotors, the available calculation approaches based on creep laws are not sufficient. Those conventional equations neither allow for interactions between creep and fatigue, nor is the overall influence on the deformation and failure behavior taken into account. Viscoplatic material models, however, provide a solution. Contrary to the classical theory of plasticity and creep, where both processes are considered to be independent of each other, such models describe all occurring effects in the behavior of the material by superior formulations, which do not explicitly distinguish between remaining deformation caused by static or cyclic plasticity and remaining deformation occuring due to creep. This unification of the time-independent and the time-dependent remaining strains enables the comprehension of the interaction between creep and fatigue. It is the purpose of this thesis to constitute and verify a viscoplatic material model, which can describe the deformation and failure behavior of typical steam-turbine materials under multi-axial creep-fatigue-loading in turbine rotors. To determine the material behavior of turbine rotors under practice conditions, multi-axial creep-fatigue tests have been carried out with hollow cylinders of the materials 30CrMoNi5-11 and X12CrMoWVNbN10-1-1 at typical operating temperatures of 550 °C and 600 °C, respectively. The specimens have been subjected to a time-varying combined load, which is equivalent to a power plant loading cycle. Under test conditions, the specimens failed considerably earlier than predicted; the forecasting was based on a linear superposition of cumulative damage contributions of fatigue and creep. To describe the deformation and damage behavior under creep-fatigue-loading, an elastic-viscoplasitc model was established. For low loading, creep is dominated by diffusion mechanism, whereas for high loading, creep is controlled by dislocation mechanism. Therefore, to enable a more accurate description of the creep behavior, two inelastic strain rates were used. The sum of the two inelastic strain rates equals overall creep velocity. By using kinematic and isotropic variables, both the static and the cyclic hardening or softening behavior were reflected in the model. Furthermore, the model included two damage parameters to describe the damage caused by creep or fatigue. To also consider the interactions between creep and fatigue damage, the two parameters can be superposed nonlinear. Thereby, the overall influence of the damage on deformation and failure behavior can be described more accurately. The material parameters used in the model were derived from a comprehensive database that contained experimental data resulting from tension tests, fatigue tests and creep tests. Most of the data had been compiled in previous and current projects. To base the model on broader and better secured data, additional tension and fatigue tests were carried out under reduced haul-off and strain speeds. It could be shown that the derived parameters provide an excellent description of uniaxial material behavior. Applying the fitted model, multi-axial creep-fatigue was simulated for both materials, 30CrMoNiV5-11 and X12CrMoWVNbN10-11. That way and by using Mises equivalent stress, the deformation characteristics from the creep-fatigue tests could be described appropriately for both materials up to the beginning of the tertiary creep. The tertiary creep itself and the time of failure could not yet be satisfactorily described. After giving more weight to the influence of the fatigue damage on subsequent creep behavior, the tertiary creep could be appropriately described for the creep-fatigue tests. As a result of this extended consideration of damage, the failure behavior could be calculated with only a 10 % deviation to the experimentally determined data.