Thermische Ermüdung in Kraftwerkskomponenten : experimentelle und numerische Untersuchungen

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Mechanismen der Rissentstehung unter thermischer Wechselbelastung bis ~300 °C am austenitischen Werkstoff X6CrNiNb18-10 (1.4550) untersucht. Hierfür wurden intensive experimentelle und numerische Forschungs- und Entwicklungsarbeiten an der Materialprüfungsanstalt (MPA) Universität Stuttgart durchgeführt. Die Entwicklung einer optimalen Probengeometrie (Kalottenprobe) und eines dazugehörigen Prüfstands war die Grundlage umfassender experimenteller Untersuchungen, wodurch definierte und reproduzierbare Beanspruchungszustände realisiert werden konnten. Zusätzlich ermöglichte der neue Prüfstand eine gezielte Modifikation der Temperaturamplitude und der Temperaturwechselfrequenz. Mit den neu entwickelten Kalottenproben wurden thermische Wechselversuche im Temperaturbereich von ~150 °C bis ~300 °C durchgeführt. Neben einer kontinuierlichen Temperaturmessung mithilfe von zwei Pyrometern im Zentrum der Kalottenprobe wurde auch die räumliche und zeitliche Temperaturverteilung auf der Oberfläche der Kalottenproben zu bestimmten Zeitpunkten mit einer Thermokamera dokumentiert und analysiert. Zusätzlich zur Temperaturmessung wurden auch die Verformungen und Dehnungen der Kalottenprobe während der thermischen Wechselversuche mit dem Messsystem ARAMIS zu bestimmten Zeitpunkten gemessen. Die Größe der neu entwickelten Kalottenprobe ermöglichte die zerstörungsfreie Analyse der Oberfläche während gezielter Versuchsunterbrechungen im Rasterelektronenmikroskop (REM), unter dem Lichtmikroskop (LiMi), mit der FIB-Technik sowie die Bestimmung vorhandener Eigenspannungen (XRD). Hierbei wurden insbesondere die beobachteten Gefügeveränderungen an der Oberfläche analysiert. Ausgehend von Intrusionen und Extrusionen konnte die Entstehung von Mikrorissen (Mikrorissinitiierung) nachgewiesen werden. Im weiteren Verlauf der thermischen Belastung wuchsen diese Mikrorisse sowohl in die Tiefe als auch entlang der Oberfläche, bis ein dominanter Makroriss letztlich zum Versagen der Kalottenprobe, d. h. zum Durchriss im Kalottenzentrum, führte. Die experimentellen thermischen Wechselversuche wurden mithilfe von 3D-Finite-Elemente-Simulationen numerisch berechnet und analysiert. Im Rahmen von aufwändigen und umfangreichen Untersuchungen mit dem FE-Programm ABAQUS und unter Zuhilfenahme von benutzerdefinierten Unterprogrammen konnte das reale Verhalten der Kalottenprobe numerisch abgebildet werden. Für die numerische Beschreibung des Werkstoffverhaltens wurde ein anisothermes, plastisches Materialmodell auf Basis eines Chaboche-Modells mit kinematischer und isotroper Verfestigung verwendet. Die Abschätzung und Bewertung der Lebensdauer erfolgte für einen repräsentativen thermischen Zyklus im eingeschwungenen Zustand. Hierbei wurde zunächst mithilfe der regelwerksbasierten Vorgehensweise nach ASME-BPVC und FKM-Richtlinie diejenige Stelle der Kalottenprobe identifiziert, die als kritisch hinsichtlich Schädigung zu sehen ist. Die Lebensdauer wurde dort anschließend mit verschiedenen fortschrittlichen Schädigungsparametern bestimmt. Hierfür war es erforderlich, im Vorfeld entsprechende Lebensdauer- bzw. Schädigungsparameter an einachsigen Schwingversuchen bzw. einachsigen numerischen Modellen zu ermitteln. Neben energiedichtebasierten Ansätzen kamen auch spannungs- und dehnungsbasierte Ansätze zum Einsatz. Hinsichtlich der Vorhersagegenauigkeit zeigte sich kein einheitliches Bild, denn die berechnete Lebensdauer wurde im Vergleich zur experimentell ermittelten Lebensdauer der Kalottenprobe unter thermischer Wechselbelastung teilweise unterschätzt, teilweise aber auch überschätzt. Dies führte neben einer konservativen Bewertung durch die Schubspannungsintensitätshypothese (SIH) auch zu einer nichtkonservativen Bewertung der Lebensdauer durch die energiedichtebasierten Ansätze nach Smith, Watson und Topper (SWT) sowie Gupta-Fesich (GF). Der dehnungsbasierte Ansatz nach Fatemi und Socie (FS) zeigte insgesamt die beste Übereinstimmung von vorhergesagter und realer Lebensdauer. Die durchgeführten Untersuchungen liefern somit einen wertvollen Beitrag zum besseren Verständnis der Wechselwirkung zwischen Gefüge und Ermüdungsprozessen unter thermischer Wechselbelastung.

In this thesis, the mechanisms of crack initiation under thermal cyclic loading up to ~300 °C were analysed using the austenitic stainless steel X6CrNiNb18-10 (1.4550). For this purpose, extensive experimental and numerical research and development was performed at the Materials Testing Institute (MPA) University of Stuttgart. The development of an ideal specimen geometry (calotte) as well as the development of the test rig were the basis for extensive experimental investigations to realise well-defined and repeatable stress and strain conditions. Furthermore, the new test rig enabled specific modifications of temperature amplitudes and temperature rates. Thermal cyclic tests in the temperature range of ~150 °C to ~300 °C were performed with the newly developed specimen (calotte). The local surface temperature was measured continuously in the centre of the specimen with two pyrometers. The temperature profile on the specimen surface was analysed during thermal cyclic loading using additional temperature measurements with an infrared camera at predefined times. Additionally, the resulting displacements and strains at the specimen surface were measured during thermal cyclic loading with the measuring system ARAMIS at predefined times. The size of the newly developed specimen enabled various microscopic analysis at the surface during selective test interruptions. This included scanning electron microscope (SEM), light-optical microscope, the FIB-method as well as residual stress measurements (XRD). During these test interruptions, changes in the surface-microstructure were analysed in particular. Based on intrusions and extrusions, microcrack initiation has been proved. During continuous thermal cyclic loading these microcracks grew into the specimen depth and along the surface. These microcracks evolved to a dominant crack that finally led to failure of the specimen - more precisely, a through-thickness crack in the centre of the spherical cap of the specimen. The experimental thermal cycling tests were analysed by means of 3D finite element calculations. The behaviour of the specimen was numerically reproduced in extensive simulations with the FE-software ABAQUS and with the help of user defined subroutines. A plastic constitutive law based on a Chaboche type model with kinematic and isotropic hardening was used for the finite element simulations. The evaluation of fatigue lifetime was conducted for a representative thermal cycle (steady state). In the first instance, the critical point in terms of damage was identified with the help of rules based on the ASME-BPVC and FKM-guideline. Subsequently, the fatigue lifetime was determined by means of advanced fatigue damage parameters. Therefore, it was necessary to determine corresponding lifetime and damage parameters using uniaxial fatigue tests and simple numerical models respectively prior to the assessment. In addition to energy density-based approaches, stress- and strain-based approaches were used. With respect to the prediction accuracy, no consistent result was observed, as the numerically calculated lifetime in the centre of the specimen was partially underestimated and partially overestimated compared to the experimentally observed lifetime. This led to a conservative assessment by means of the shear stress intensity hypothesis (SIH) on the one hand and to a non-conservative assessment by means of the energy-based approaches by Smith, Watson and Topper (SWT) and Gupta-Fesich (GF) on the other hand. Taken as a whole, the strain-based approach by Fatemi and Socie (FS) provided the best accordance between predicted and real lifetime. The research at hands contributes to an improved comprehension of the interaction between microstructure and fatigue processes under thermal cyclic loading.