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Beschreibung des Risseinleitungsverhaltens von warmfesten Stählen unter Kriechermüdungsbeanspruchung
(2002) Schellenberg, Geert; Maile, Karl (Dr.-Ing. PD)
An den warmfesten Kraftwerksstählen 30CrMoNiV4-11 und X10CrMoVNb9-1 wurde das Risseinleitungs- und Rissausbreitungsverhalten unter Kriechermüdungsbeanspruchung untersucht. Geprüft wurden Proben vom Typ CT und DENT in unterschiedlichen Abmessungen unter kraftkontrollierter Zugschwellbeanspruchung. Beanspruchungen mit Haltezeiten zwischen 0,1 h und 10 h decken den für die Versagensvorhersage besonders interessierenden Bereich der Interaktion zyklischer und statischer Schädigung ab. Die Durchführung langzeitiger Versuche mit Laufzeiten bis ca. 8000 h bzw. 30000 LW bietet unter Berücksichtigung der zeitabhängigen Entfestigungsvorgänge im Kriechbereich eine notwendige Grundlage für die Übertragbarkeit der experimentellen Ergebnisse auf das Bau-teilverhalten. Für Beanspruchungen mit Lastwechselfrequenzen f > 0,01 Hz ohne eingeschobene Zughaltezeiten ist kein Frequenzeinfluss auf das Risseinleitungsverhalten erkennbar. Für Beanspruchungen mit niedrigeren Lastwechselfrequenzen und eingeschobenen Zughaltezeiten ist ein zunehmender Einfluss statischer Schädigung zu erkennen, der, verglichen mit zyklischen Beanspruchungen, zu einer Verringerung der Anrisslastspielzahl N_A führt. Die Anrisslastspielzahl N_A bzw. die Risseinleitungsdauer t_A sind in diesem Bereich eine Funktion der Belastungsfrequenz f bzw. der Zughaltezeit t_H. Beanspruchungen mit sehr langen Haltezeiten bzw. Lastwechselfrequenzen < 10^-5 Hz lassen sich ausreichend genau durch statische Kriechrissergebnisse beschreiben. Anhand von metallografischen und fraktografischen Untersuchungen sowie durch Vergleich mit Referenzdaten wurde festgestellt, dass für f > 10^-3 Hz transkristalline Rissausbreitung, für f < 10^-3 Hz interkristalline Rissausbreitung dominiert. Mit Hilfe des Zwei-Kriterien-Verfahrens könne der Risseinleitungszeitpunkt sowie die Schä-digungsart (Leck-vor-Bruch oder Bruch-vor-Leck) für Bauteile unter Kriechbeanspruchungen vorhergesagt werden. Dabei werden die Beanspruchungen an der Rissspitze (Parameter K_I) sowie im Fernfeld der Komponente (Nennspannung Sig_n) auf den jeweiligen, zeitabhängigen Werkstoffkennwert K_IA bzw. R_mtT bezogen. Dieses, bisher nur für zeitlich konstante Belastungen überprüfte, Verfahren wurde auf Kriechermüdungsbeanspruchungen erweitert. Dazu wurde der Kennwert K_IA, der den Werkstoffwiderstand gegenüber Risseinleitung kennzeichnet, auf der Basis der Ergebnisse der vorliegenden Versuche modifiziert, sodass auch Zug-schwellbeanspruchungen mit f < 10^-3 Hz sicher beschrieben werden können. Spannungsumlagerungsprozesse und Unterschiede in der Querdehnungsbehinderung führen im Kriechbereich zu einer Größenabhängigkeit der Rissinitiierungsdauer. Daraus resultiert bei Verwendung des Zwei-Kriterien-Verfahrens für große Proben / Bauteile eine konservative Voraussage des Rissinitiierungszeitpunktes.