Untersuchung der werkstoffmechanischen Vorgänge zur verbesserten Lebensdauervorhersage im Low Cycle Fatigue Bereich

Abstract

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.

So far no universal procedure for the evaluation of complex fatigue loadings is in existence. Usually strain or energy based procedures are used for the evaluation of such cyclic loadings which sometimes are based on well proven static failure theories. In a first step for the evaluation of fatigue life with a strain and a stress based procedure a set of data for the used steels has been created. These two steels are a low alloyed ferritic steel 20MnMoNi5-5 and an austenitic steel X6CrNiNb18-10. This data set consists of a basic material characterization to prove the homogeneity of the materials and their strength and deformation characteristics, as well as an evaluation of the micro structure of the materials. To determine the basic fatigue properties of the materials an extensive test program was conducted on uniaxially loaded specimens. The varied parameters in this program are three test temperatures, room temperature, 288 °C and 350 °C under strain and stress controlled conditions. Primarily strain controlled tests were conducted as damage in the LCF regime is strain controlled. The effect of a mean strain and a mean stress on the fatigue life are only exemplary evaluated. With the result of these tests the mean data curve of the KTA and the newly proposed mean data curve in NUREG/CR-6909 was verified for the tested load range. To evaluate the influence of a multiaxial stress state solid cylindrical specimens have been tested under pure torsion in strain and stress controlled conditions. These were conducted as a single step test, a two step test or as a sequence of two blocks mainly in strain controlled condition. A strong dependence of the fatigue lifetime of the specimens to the occurring crack appearance linked with the strain level has been found. These cracks are either longitudinal, circumferential or a mixture of these two. In the two step tests as well as in the test with the alternating two blocks a longer lifetime has been achieved compared to the expected using a linear damage accumulation theory. Replica have been taken from specimens to better understand the crack initiation and the effect of the crack propagation on the fatigue lifetime. With these Replicas typical crack initiation sites and the following crack propagation have been identified. A big influence factor on the crack initiation and propagation is the segregation structure of the material 20MnMoNi5-5 caused by the production process. As the evaluation of Replica is very time consuming a suitable substitute was searched for. One solution was found in the optical strain measurement system ARAMIS. It has been verified that it can be used similarly to Replica technique to determine the crack propagation behavior. In addition it has advantages during the data collection and in the visualization of the results. The evaluation of the multiaxial loaded cylindrical solid and hollow specimens was done by determining an equivalent strain using the procedure in ASME Code II, Subsection NH. As input parameters have been used either measured strains or with FEM calculated strains. A good correlation with the uniaxial determined mean data curves has been achieved. The out of phase tests show the biggest deviation from the mean data curve. The application of the energy based criterion on the steel 20MnMoNi5-5 lead to a linear dependence of the energy density and the number of cycles till failure in a double logarithmic plot. There was no difference between the different specimen geometries or multiaxial loading conditions. The energy density was determined from the hysteresis loop in the saturated condition for each test. The torsional loaded specimens show that not only the energy density should be looked at. The different crack geometries resulting in different fatigue lifetimes have nearly identical energy densities. The result of ignoring the crack propagation is an inaccurate lifetime prediction. In summary this work has shown two material mechanics based lifetime prediction techniques for the LCF regime. These have been used to evaluate a large data set consisting of uniaxial and multiaxial tested specimens. These data set contains in addition to the usual S-N information the hysteresis loops and information on the crack initiation and propagation. These information on the crack behavior has to be linked with any criteria to get an accurate lifetime prediction in the LCF regime.