13 Zentrale Universitätseinrichtungen
Permanent URI for this collectionhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/14
Browse
6 results
Search Results
Item Open Access Entwicklung eines Lebensdauerkonzeptes für Schaufel-Welle-Verbindungen stationärer Turbinen aus Nickelbasis- und 10 %-Chromlegierungen(2006) Rauch, Markus; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Im Bereich von Gas- und Dampfturbinen sind die Rotoren, besonders während der Anfahr- und Abschaltphasen, hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Dies führt zu elastisch-plastischen Ermüdungs- bzw. Kriechermüdungsbeanspruchungen, welche im Bereich der Schaufelanbindung an den Rotor deutlich ausgeprägt zu finden sind. Ziel dieser Arbeit war daher, ein Berechnungsverfahren auf Basis inelastischer Finite Elemente-Analysen bei betriebsnaher Beanspruchung zu entwickeln. Hierbei bestand die Neuerung für Gasturbinen aus Nickelbasislegierungen darin, dass der wechselseitige Einfluss benachbarter Schaufeln sowie die Thermoschutzschicht im Kontaktbereich zwischen Schaufel und Scheibe berücksichtigt wurden. Darüber hinaus wurde dieses Lebensdauerkonzept zur Anwendung auf martensitische 10 %-Chromstähle von Dampfturbinen erweitert. Dies ist insofern wichtig, da sich aufgrund des zyklisch ständig entfestigenden Werkstoffverhaltens kein stabiler Zustand berechnen und auswerten lässt. Zunächst wurde je eine Modellkörpergeometrie entwickelt, die die wesentlichen lokalen Beanspruchungen in realen Gas- bzw. Dampfturbinen richtig wiedergeben. Die Nachrechnung der an diesen Modellkörpern durchgeführten zyklischen Versuche wurde unter Anwendung eines viskoplastischen Stoffgesetzes durchgeführt und diente zur Verifikation des Lebensdauerkonzeptes. Dadurch wurde für die Gasturbinenkonfiguration ein stabiler Zustand erreicht, der mit Hilfe des Schädigungsparameters nach Smith, Watson und Topper ausgewertet wurde. Entsprechend den Versuchsergebnissen konnte durch diese Berechnungsmethode gezeigt werden, dass die Beschichtung der Schaufelfüße keinen Einfluss auf die Lebensdauer bei zyklischer Beanspruchung darstellt. Aufgrund der ständigen zyklischen Entfestigung bis zum Anriss und der stärkeren Kriechneigung des bei der Dampfturbine eingesetzten martensitischen Stahles X12CrMoWVNbN10-1-1 kann in zyklischen Finite Elemente-Berechnungen kein stabiler Zustand erreicht werden. Daher wurde die Weiterentwicklung des Lebensdauerkonzeptes für dieses Werkstoffverhalten erforderlich. Unter Ausnutzung eines im viskoplastischen Stoffgesetz implementierten Ermüdungsschädigungsparameters und dessen Extrapolation auf einen werkstoff- und temperaturabhängigen Grenzwert, konnte die Anrisslastwechselzahl von typischen Dampfturbinenwerkstoffen vorhergesagt werden. Der Vergleich mit derzeit eingesetzten Auslegungsmethoden zeigt, dass das entwickelte Lebensdauerkonzept eine deutliche Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit unter betriebsnaher Beanspruchung von Turbinen bietet.Item Open Access Untersuchungen zum Einfluss der dynamischen Reckalterung auf die mediumgestützte Risskorrosion von niedriglegierten Stählen in sauerstoffhaltigem Hochtemperaturwasser(2007) Devrient, Bastian; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Die dynamische Reckalterung kann das plastische Verformungsverhalten von entsprechend anfälligen un- und niedriglegierten Stählen erheblich beeinflussen. Im Zwischengitter niedriglegierter Stähle gelöste Kohlenstoff- und Stickstoffatome verändern sowohl im Grundwerkstoff als auch im Schweißzusatzwerkstoff die mechanischen Kennwerte wie Festigkeit und Duktilität in Abhängigkeit von der Temperatur und der Dehnrate in der Weise, dass es unter bestimmten Kombinationen aus Temperatur und Dehnrate zu einer lokalisierten Verfestigung aufgrund der Begünstigung von planaren Gleitprozessen kommt. Hierdurch werden makroskopisch gemessene Festigkeitskennwerte angehoben, und gleichzeitig die Duktilität der Werkstoffe reduziert. An verschiedenen niedriglegierten Stählen für druckumschließende Komponenten von Kernkraftwerken wurde daher das plastische Verformungsverhalten hinsichtlich des Einflusses der dynamischen Reckalterung auf eine Festigkeitssteigerung mit gleichzeitiger Reduzierung der Duktilität und insbesondere die Lokalisierung der Dehnung in langsamen Zugversuchen unter entsprechend kritischen Parametern untersucht. Zunächst wurden die Werkstoffe auf Basis mechanischer Werkstoffprüfungen in weniger und stark gegen dynamische Reckalterung anfällige niedriglegierte Stähle eingeteilt, und Bewertungskriterien für dynamische Reckalterung abgeleitet. Die Reckalterungsempfindlichkeit niedriglegierter Stähle ist jedoch wegen unterschiedlichem Gehalt an interstitiellem Stickstoff im Gitter nicht nur werkstoffabhängig sondern kann auch chargenabhängig sein, weshalb nicht von einer grundlegenden Anfälligkeit von warmfesten Feinkornbaustählen der Kraftwerkstechnik gegen dynamische Reckalterung auszugehen ist. Für mikrostrukturelle Untersuchungen der Dehnungslokalisierung wurden Gefügezustände verschiedener plastischer Dehnungen erzeugt und anschließend hinsichtlich lokaler Verformung analysiert. Hierbei wurde die EBSD-Methode zur Analyse lokaler Dehnungen im Werkstoffgefüge und der sich bildenden Kleinwinkelkorngrenzen herangezogen. Mittels dieser Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die auf Basis von mechanischen Versuchen als gegen dynamische Reckalterung stark anfällig eingestuften Werkstoffe eine ausgeprägte lokalisierte Verformung aufweisen und somit die auf einzelne Gleitebenen kumulierte Dehnung vergleichsweise hohe Beträge annimmt. Ferner wurden anhand verformter Oberflächen die Gleitstufenhöhe bzw. die Rauhigkeit und Welligkeit von Gleitstufen analysiert. Diese Untersuchungen zeigen, dass die Gleitstufenhöhe, bei entsprechend hoher Reckalterungsanfälligkeit der Werkstoffe und plastischer Verformung unter kritischen Verformungsparametern (Temperatur und Dehnrate), im Bereich der Dicke bzw. größer als gebildete oxidische Deckschichten aus Magnetit auf niedriglegiertem Stahl in sauerstoffhaltigem Hochtemperaturwasser (z.B. an einer Rissspitze) ist. Daraus ist zu schließen, dass bei entsprechender Anfälligkeit eines Werkstoffs gegen dynamische Reckalterung von einer Begünstigung von lokalen Verletzungen der oxidischen Deckschichten in sauerstoffhaltigem Hochtemperaturwasser z.B. im Bereich einer aktiven Rissspitze ausgegangen werden muss. Dies wiederum kann zur Triggerung korrosiver Metallauflösung an Rissspitzen niedriglegierter Stähle in sauerstoffhaltigem Hochtemperaturwasser und somit zu kontinuierlichem Risswachstum mit beschleunigter Risswachstumsrate unter konstanter Belastung bei vergleichsweise niedrigen Spannungsintensitätsfaktoren mit entsprechend kritischer Dehnrate an der Rissspitze führen. Ebenso kann hinsichtlich Rissinitiierung bei dynamischer Reckalterung an glatten Oberflächen aufgrund lokaler Verformung von einer bevorzugten Rissinitiierung an niedriglegierten Stählen in sauerstoffhaltigem Hochtemperaturwasser im Bereich von Gleitlinien ausgegangen werden, sofern es durch dynamische Reckalterung zur Bildung von hohen Gleitstufen und damit zur lokalen Verletzung der oxidischen Schutzschicht kommt. Daher ist die Anfälligkeit gegen dynamische Reckalterung als weiterer wichtiger Werkstoffparameter für die Bewertung und Diskussion mediumgestützter Risskorrosion niedriglegierter Stähle in sauerstoffhaltigem Hochtemperaturwasser anzusehen. Für das mediumgestützte Risswachstum niedriglegierter Stähle in sauerstoffhaltigem Hochtemperaturwasser ist die dynamische Reckalterung keine notwendige Einflussgröße, begünstigt aber bei stark reckalterungsempfindlichen Werkstoffen die Rissbildung an glatten Oberflächen und das mediumgestützte Risswachstum. Für korrosionstechnische Bewertungen niedriglegierter Konstruktionswerkstoffe in sauerstoffhaltigem Hochtemperaturwasser ist sie daher von entscheidender Bedeutung und sollte stets berücksichtigt werden.Item Open Access Einfluss des Aluminiumgehaltes gespritzter Zinküberzüge auf den Korrosionsschutz von Stahl(2006) Büteführ, Marita; Reinhardt, Hans-Wolf (Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. E.h.)Im Rahmen dieser Arbeit werden im wesentlichen zwei Fragestellungen untersucht. Zum einen wird der Legierungseinfluss auf das Korrosionsverhalten von Spritzüberzügen in praxisnahen Medien des Bauwesens zur Ermittlung optimierter Legierungszusammensetzungen untersucht, zum anderen der legierungsabhängige Mechanismus der Korrosion und Deckschichtbildung, da das hervorragende Korrosionsverhalten der aluminiumreichen Schichten offenbar mit einer Besonderheit des Abtrags- und Deckschichtbildungsmechanismus einhergeht. Für die Untersuchungen wurden sieben verschiedene Spritzüberzüge auf unlegierten Stahl zum Zwecke des Korrosionsschutzes aufgebracht und ausgelagert. Das Korrosionsverhalten wurde in Abhängigkeit der Legierungszusammensetzung und der Korrosionsbelastung anhand der Veränderung des Erscheinungsbildes der Schichten und dem korrosionsbedingten Abtrag nach 2 und 5 Jahren Auslagerungen bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass durch das Zulegieren von Al zu Zn für die untersuchten Anwendungsgebiete im Bauwesen eine deutlich bessere Korrosionsbeständigkeit erzielt werden kann. Ein Maximum der Schutzwirkung wurde bei mittleren Al-Gehalten von 15 bzw. 22 M.-% erzielt, mit Abtragsraten unter 1 µm/a. Die ZnAl 4-Spritzschicht wies immerhin in Stadtatmosphäre, Meeresatmosphäre und in der Spritzwasserzone des Meeres Abtragsraten unter 1 µm/a auf, während die ZnAl 2-Spitzschicht in allen Atmosphären Abtragsraten über 1 bis 20 µm/a aufwies. Das Zulegieren von über 22 % Al brachte keine zusätzlichen Verbesserungen im Korrosionsverhalten. Die durchgeführten Untersuchungen haben außerdem gezeigt, dass einem sehr geringen Abtrag überwiegend ein mittlerer oder sogar starker innerer Angriff gegenüber steht. Dieser stärkere innere Korrosionsangriff ist verbunden mit einem besseren Korrosionsverhalten, da diese von Korrosionsprodukten durchzogenen Spritzschichten offensichtlich schützend wirken. Zur Charakterisierung des Korrosionsmechanismus von ZnAl-Spritzschichten werden drei verschiedene Modelle diskutiert und anhand der elektrochemischen Untersuchungen beurteilt: der kathodische Schutz, eine Passivierung durch stabile Deckschichten und eine Inhibition der kathodischen Teilreaktion der Korrosion. Die Stromdichte-Potentialkurven lassen für keine Legierung eine Verschiebung des Freien Korrosionspotentials in kathodische Richtung erkennen. Des weiteren wird nur eine geringe Verringerung der Stromdichte im Anodischen insbesondere bei mittleren Al-Gehalten erkennbar. Gleichwohl wurde eine selektive Korrosion der zinkreichen Phasen festgestellt. Da eine ausgeprägte Hemmung der kathodischen Teilreaktion in Verbindung mit einer prozentualen Al-Anreicherung und einer Zn-Verarmung über die gesamte Schicht festgestellt wurde, beruht der Mechanismus der Korrosion von ZnAl-Spritzschichten im wesentlichen auf einer Inhibition durch Aluminiumhydroxid. Durch den zunehmenden Al-Anteil in der Schicht und das damit verbundene Vorherrschen inhibierender Korrosionsprodukte wird die kathodische Teilreaktion und damit auch die Korrosion des gespritzten ZnAl-Überzuges zunehmend unterbunden.Item Open Access Vergleichsprüfungen des Frostwiderstandes und Vergleich mit der Praxis : AiF-Vorhaben - Nr.: 13928 N ; Forschungsbericht 12-8900005/AiF-13928N/Hß vom 7.12.2006(2006) Huß, Andreas; Reinhardt, Hans-WolfInhalt des AiF-Forschungsprojekts Nr.: 13928 N (DBV-Nr.: 247) "Vergleichsprüfungen des Frostwiderstandes und Vergleich mit der Praxis" war die vergleichende Untersuchung des Frost-Widerstandes von Betonen unterschiedlicher Zusammensetzungen unter Laborbedingungen und nach Auslagerung am Otto-Graf-Institut (FMPA) in Stuttgart. Die Zusammensetzungen der untersuchten Betone lagen dabei im Grenzbereich der Vorgaben nach DIN EN 206-1/DIN 1045-2 für die Expositionsklassen XF1 und XF3 sowie außerhalb der Vorgaben (u. a. höherer w/z-Wert, geringerer Zementgehalt). Die Beanspruchung der untersuchten Betone bestand aus reinem Frostangriff ohne Taumittel. Für die Frostbeanspruchung im Labor wurde das CIF-Prüfverfahren nach der RILEM Recommendation TC117-FDC, das u. a. als alternatives Prüfverfahren (CF-Prüfverfahren) in der Vornorm DIN CEN/TS 12390-9 angegeben ist, mit demineralisiertem Wasser angewendet. Da für die Beurteilung des Frostwiderstandes von XF1-Betonen derzeit kein genormtes Prüfverfahren zur Verfügung steht, wurde das CIF-Prüfverfahren auch bei der Prüfung der XF1-Betone angewendet. Für die Auslagerung unter praxisorientierten Bedingungen wurden als Prüfkörper Würfel mit rd. 15 cm Kantenlänge hergestellt. Dabei wurde eine der Seitenflächen ohne Verwendung von Trennmittel gegen eine 5 mm Dicke Teflonscheibe betoniert. Diese Seitenfläche wurde als Prüffläche, die der Witterung ausgesetzt war, verwendet. Während der Auslagerung wurden die Prüfflächen der XF3 Betone horizontal unter freiem Himmel positioniert. Die Prüfflächen der XF1 Betone wurden vertikal in Richtung Westen ausgerichtet. Die Auslagerung fand auf dem Dach des Otto-Graf-Institutes statt. Die ausgelagerten Prüfkörper wurden nach jeder Frost-Periode visuell auf Veränderungen durch Frosteinwirkung untersucht. Zudem wurden über einbetonierte Sensoren in ausgewählten Probekörpern Informationen über den Temperaturverlauf und die Feuchtigkeit (ausgedrückt über den elektrolytischen Widerstand im Beton) erfasst. Der vorliegende Bericht enthält die Auswertung der im Rahmen des Forschungsprojektes durchgeführten Prüfungen bzw. Untersuchungen und einen Vergleich der Laborergebnisse mit den Feststellungen an den Auslagerungsproben.Item Open Access Stahlrost in Beton(2006) Gehlen, Christoph; Nürnberger, Ulf; Neubert, BerndWer hat es nicht selber schon mit eigenen Augen gesehen? Unsere Bauwerke kommen in die Jahre. Das macht sich in den meisten Fällen auch äußerlich bemerkbar. Die in Beton eingebettete Stahlbewehrung fängt an zu rosten, der Überdeckungsbeton reißt auf und platzt ab. Auf welche Ursachen aber kann dieses Phänomen zurückgeführt werden? Vor dreißig, vierzig Jahren, also in einer Zeit, in der viele unserer heute noch genutzten Bauwerke hergestellt wurden, nahm man vor dem Hintergrund des damaligen Kenntnisstandes an, dass ein Stahl, der in Beton eingebettet wird, optimal vor Korrosion geschützt ist, also praktisch nicht rosten kann.Warum Betonstähle dennoch rosten können, wird nachfolgend beschrieben.Item Open Access Lebensdaueroptimierung von Schweißverbindungen martensitischer Stähle für Hochtemperaturanwendungen(2009) Bauer, Mathias; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Schweißverbindungen sind zum jetzigen Zeitpunkt sowohl beim Bau von Kraftwerken und Anlagen als auch für deren eventuelle Reparatur unverzichtbar. Eine Werkstoffentwicklung, mit dem Ziel der Erhöhung der Dampfparameter zur Wirkungsgradsteigerung bzw. zur Verringerung von Emissionen, muss daher zwingend die Qualifizierung geeigneter Schweißgüter und -verfahren sowie die Überprüfung geschweißter Komponenten auf deren Einsatztauglichkeit unter Hochtemperaturbeanspruchung beinhalten. Ein großer Anteil der hochtemperaturbeanspruchten Komponenten in Kraftwerken wird auch zukünftig aus den bisher in großem Umfang eingesetzten - oder im Zuge der gestiegenen Anforderungen neu entwickelten - martensitischen 9-12 %-Chromstählen gefertigt werden. Eine spezifische Wärmebehandlung (Vergüten) ist dabei maßgeblich verantwortlich für die Hochtemperatureigenschaften dieser Werkstoffe. Allerdings sind Schweißnähte vor allem bei ferritisch-martensitischen Werkstoffen - aufgrund der durch die Wärmeeinbringung des Schweißprozesses entstehenden Wärmeeinflusszonen im Grundwerkstoff – oft eine Schwachstelle und können zu vorzeitigem Versagen der Komponente führen. Dies liegt zum einen an der niedrigen Zeitstandfestigkeit, zum anderen an der Mehrachsigkeit des Spannungszustands in der äußeren Wärmeeinflusszone. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Steigerung der Zeitstandfestigkeit von Schweißverbindungen über eine gezielte Beeinflussung der Mehrachsigkeitsverhältnisse im Bereich der Wärmeeinflusszone der Schweißnaht. Durch die Optimierung der Schweißguteigenschaften - stets angepasst an die Werkstoffeigenschaften des Grundwerkstoffs - und der Schweißnahtgeometrie, kann eine Entlastung der Wärmeeinflusszone erreicht werden. Untersucht werden drei Schweißgüter unterschiedlicher Zeitstandfestigkeit. Ferner wurde der Einfluss unterschiedlicher Flankenwinkel detailliert untersucht. Im Fokus der vorliegenden Arbeit stehen Schweißverbindungen moderner 9-12 %-Chromstähle. Durch die unterschiedlichen Zeitstandfestigkeiten der untersuchten Schweißgüter können Umlagerungs- und Relaxationsvorgänge in den einzelnen Werkstoffzonen beeinflusst werden. Somit erlaubt die Anpassung der Schweißguteigenschaften, in Kombination mit einer optimierten Schweißnahtgeometrie, eine Einflussnahme auf den Spannungs- und Dehnungszustand im Bereich der Naht geschweißter Komponenten. Mit Hilfe einer detaillierten Basischarakterisierung des Grundwerkstoffs, der verschiedenen Schweißgüter und verschiedenen Proben aus simulierten Gefügen aus der Wärmeeinflusszone, wird ein Materialmodell für inelastische Finite-Elemente-Simulationen entwickelt und erfolgreich validiert. Dazu dienen neben Kleinproben auch zwei Bauteilversuche (längsnahtgeschweißte, dickwandige Rohre unter Innendruck). Bei den Kleinproben zeigen die Finite-Elemente-Simulationen sowie die experimentellen Ergebnisse einen Trend hin zu längeren Lebensdauern unter Verwendung des zeitstandschwächeren Schweißgutes. Numerisch kann gezeigt werden, dass bei dieser Schweißkonfiguration die Mehrachsigkeit des Spannungszustandes und folglich die Schädigung im kritischsten Bereich der Naht deutlich reduziert werden kann. Ein Einfluss des Flankenwinkels auf die Lebensdauer kann bei den Kleinproben anhand von (numerischen) Untersuchungen allerdings nicht festgestellt werden. Bei den Simulationen der Komponenten zeigt sich hingegen ein anderes Verhalten. Trotz der Entschärfung des Spannungszustandes, durch Verwendung des Schweißgutes mit niedrigerer Zeitstandfestigkeit, kann kein nennenswerter positiver Einfluss auf die Reduzierung der Schädigung im Bauteil festgestellt werden. Im Gegensatz zu den Kleinproben kann bei den Komponenten aber anhand numerischer Simulationen eine Reduzierung der Schädigung um 15% bei kleinen Flankenwinkeln (0°) im Vergleich zu größeren Flankenwinkeln (15° bzw. 22°) festgestellt werden. Des Weiteren zeigen FE-Simulationen, dass durch eine Kombination des optimierten Flankenwinkels mit dem zeitstandschwächeren P91 Schweißgut eine weitere Reduzierung des Schädigungsgrads – verglichen mit matched oder overmatched geschweißten Komponenten – erzielt werden kann. Die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Ergebnisse zeigen, dass durch angepasste Schweißguteigenschaften in Kombination mit einer Optimierung der Schweißnahtgeometrie eine Einflussnahme auf die Lage und Größe der kritischen Parameter wie der Mehrachsigkeit des Spannungszustandes und der Schädigung sowie der absoluten Größe von Spannungen und Dehnungen möglich ist. Die Validierung der numerischen Ergebnisse mit experimentell ermittelten Daten hat gezeigt, dass mit den hier abgeleiteten Algorithmen in Abhängigkeit des Mehrachsigkeitsgrad des Spannungszustands eine Beschreibung des viskoplastischen Verformungsverhaltens und insbesondere der Schädigungsentwicklung hochtemperaturbeanspruchter, geschweißter Bauteile sowie eine Lebensdauerabschätzung dieser Komponenten mit Vorhersage des Versagensorts und der Versagenszeit möglich ist.