Browsing by Author "Reicherter, Bernd"

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Untersuchung der werkstoffmechanischen Vorgänge zur verbesserten Lebensdauervorhersage im Low Cycle Fatigue Bereich
(2011) Reicherter, Bernd; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Die Bewertung komplexer Beanspruchungszustände ist im LCF-Bereich noch nicht zufriedenstellend allgemein übertragbar gelöst. Zur Bewertung werden üblicherweise dehnungs- oder energiebasierte Kriterien angewendet, die teilweise auf den für den statischen Fall gut verifizierten Festigkeitshypothesen basieren. Als Basis zur Bewertung eines dehnungs- und eines energiebasierten Kriteriums wurde zuerst eine Datenbasis für den niedriglegierten ferritischen Werstoff 20MnMoNi5-5 und den austenitischen CrNi-Stahl X6CrNiNb18-10 geschaffen. Diese besteht aus einer Basischarakterisierung zum Nachweis der Werkstoffhomogenität, der Mikrostruktur des Gefüges und den Festigkeits- und Verformungseigenschaften dieser beiden Stähle. Zur Untersuchung der grundlegenden Ermüdungseigenschaften wurde an einachsig belasteten Proben ein umfangreiches Versuchsprogramm durchgeführt. Dieses beinhaltet Versuche bei den drei Temperaturen RT, 288 °C und 350 °C mit dehnungs- und spannungskontrollierten Versuchen. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf den dehnungskontrollierten Versuchen, da die Dehnung im LCF-Bereich schädigungsbestimmend ist. Exemplarisch werden die Auswirkungen einer Mitteldehnung und einer Mittelspannung beleuchtet. Mit diesen Versuchen konnte die dem KTA-Regelwerk zu Grunde liegende Mittelwertskurve sowie die in NUREG/CR-6909 dargestellte Kurve im untersuchten Schwingspielzahlbereich verifiziert werden. Zur Bewertung der Einflüsse durch eine mehrachsige Belastung werden dehnungs- und spannungskontrollierte zyklische Versuche an zylindrischen Vollproben unter reiner Torsion durchgeführt. Diese werden als Ein-Stufen-Versuche, als Zwei-Stufen–Versuche und als Blockbelastung überwiegend dehnungskontrolliert durchgeführt. Alle drei beobachteten Rissarten, Längsriss, Umfangsriss sowie kombinierter Längs- und Umfangsriss, entstehen und wachsen in den Ebenen der maximalen Schubspannungen. Es ergibt sich eine deutliche Abhängigkeit der Lebensdauer von der auftretenden Rissart, Längsriss, Umfangsriss oder kombinierter Riss, gekoppelt an das jeweilige Belastungsniveau. Bei den Zwei-Stufen –Versuchen als auch bei den Blockversuchen wurde eine größere Lebensdauer, als nach einer linearen Schädigungsrechnung zu erwarten ist, festgestellt. Um das Entstehen der unterschiedlichen Risse und die Auswirkungen auf die Laufzeit besser zu verstehen, wurden Replica-Abdrücke der Probenoberfläche während der Versuche genommen. Anhand dieser konnten die typischen Rissausgangsstellen und das anschließende Risswachstum identifiziert werden. Da die Bewertung von Replica-Abdrücken sehr zeitaufwändig ist, wurde alternativ das Optische Dehnungsmesssystems ARAMIS eingesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass mit diesem die Rissentwicklung ähnlich wie mit Replica-Abdrücken dokumentiert werden kann, jedoch zusätzliche Vorteile durch eine Messung der Dehnungsverteilung während der Belastung und in der Visualisierung der Ergebnisse bringt. Die mit diesem System bestimmte Dehnung auf der Oberfläche wurde bei den damit betrachteten Torsionsproben erfolgreich zur Einordnung in die einachsigen Mittelwertskurven und zur Ermüdungsbewertung verwendet. Die Bewertung der mehrachsigen Versuche an zylindrischen Vollproben unter rein wechselnder Torsion und den Hohlproben unter kombinierter Belastung aus Zug und Torsion ergab mit den aus ARAMIS oder FEM-Rechnungen bestimmten Dehnungen als Eingangsgröße zur Berechnung der Vergleichsdehnungsschwingbreite nach ASME BPVC Code III, Subsection NH eine gute Übereinstimmung mit den Mittelwertskurven der einachsigen Versuche. Einzig die Versuche mit einer 90° Phasenverschiebung zwischen Schiebung und Axialdehnung an den Hohlproben ergaben eine stärkere nicht konservative Abweichung von den Mittelwertskurven der einachsigen Versuche. Die Anwendung des energiebasierten Kriteriums ergab für alle durchgeführten Versuche am Werkstoff 20MnMoNi5-5, unabhängig von der Probenform und der Belastungsart sowie der Mehrachsigkeit, eine gemeinsame lineare Beziehung in doppel-logarithmischer Auftragung zwischen Energiedichte und Laufzeit. Die Energiedichte wurde dabei aus der Hystereseschleife des stabilisierten Zustandes eines jeden Schwingversuches bestimmt. Anhand der Torsionsversuche kann gezeigt werden, dass eine reine Betrachtung der dissipierten Energie ohne Berücksichtigung des ablaufenden Schädigungsprozesses zu ungenauen Ergebnissen führen kann. Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit zwei Möglichkeiten einer werkstoffmechanisch basierten Lebensdauervorhersage im LCF-Bereich vorgestellt und auf eine zuvor erzeugte umfangreiche Datenbasis aus ein- und mehrachsigen Versuchen angewendet. Diese Datenbasis beinhaltet, neben den üblichen Versuchsdaten wie Dehnungsamplitude über Lastwechselzahl, noch die Information einzelner Hysteresen, sowie zusätzlich eine Dokumentation des Risswachstums, um den Einfluss des Werkstoffes sicher zu erfassen, der bei einer Lebensdauervorhersage im LCF-Bereich nicht vernachlässigt werden darf.