Konstitutive Kriech-und Kriechermüdungsbeschreibung

FKM 2006
Heft Nummer 290
Vorhaben Nr. 251

Kurzfassung:

In diesem Vorhaben wurde das Ziel verfolgt, eine robuste, thermodynamisch konsistente Beschreibung des inelastischen Verhaltens am Beispiel eines warm festen Schmiedestahles vom Typ 28CrMoNiV4-9 in Form eines konstitutiven elastoviskoplastischen Materialmodells zur lebensdauer- Berechnung und Optimierung von Hochtemperaturbauteilen des Kraftwerks- und Anlagenbaues unter praxisnaher Kriech- und Kriechermüdungsbeanspruchung zu erstellen. Das Materialmodell ist in der Lage, Kriechbeanspruchung und Kriechermüdungsbeanspruchung zu erfassen und Verformung sowie Lebensdauer zu beschreiben. Im Vordergrund der theoretischen Arbeiten standen die Anpassung eines Materialmodells an die vor- liegende komplexe Beanspruchung und Fragen der Entwicklung und Erprobung eines geeigneten Verfahrens zur Parameteridentifikation sowie die Entwicklung einer UMAT für Finite-Elemente- Berechnungen. Das konstitutive Materialmodell berücksichtigt die kinematische und isotrope Verfestigung sowie isotrope Schädigung und ist für 3D-Simulation konzipiert. Es beruht auf dem Konzept der effektiven Spannung kombiniert mit dem Prinzip der verallgemeinerten Energieäquivalenz. Zur Identifizierung der Materialparameter wurde die Methode der Neuronalen Netze mit anschließen- der Optimierung durch die Nelder-Mead-Methode zugrunde gelegt. Dabei unterstützt ein speziell entwickeltes Programmpaket den Anwender bei der simultanen Berücksichtigung unterschiedlicher Versuchsarten wie Kriech-, Ermüdungs- und Kriechermüdungsversuche. Die Identifikation der Materialparameter wurde auf der Basis vorhandener 1 D-Versuchsdaten durchgeführt. Den Schwerpunkt der experimentellen Arbeiten bildete die Durchführung der Verifikationsversuche an Rundkerbproben und Kreuzproben. Die erzielten Beanspruchungsdauern in den Verifikationsexperimenten liegen bei 2000 bis 3000 h unter Variation der die Kriechschädigung beeinflussenden Halte- zeit sowie der Beanspruchungshöhe. Hierbei erwies sich insbesondere die dehnungsgeregelte Abbildung einer biaxialen Kriechermüdungsbeanspruchung mithilfe von Kreuzproben von Vorteil hinsichtlich der Nähe zur beheizten Oberfläche von massiven Hochtemperaturbauteilen. Zusammenfassend konnte mit der hier durchgeführten Arbeit das Potenzial dieses fortschrittlichen Materialmodells gezeigt werden. Insgesamt ließen sich mit dem Materialmodell zufriedenstellende Vorhersageergebnisse für mehraxiale Kriech- und Kriechermüdungsbeanspruchung mit einem Parametersatz erzielen. Zukünftige Erweiterungen betreffen den Schädigungsansatz in Wechselwirkung mit langzeitigen mehrachsigen Kriechermüdungsexperimenten. Der Vorteil für die industrielle Anwendung liegt in der vergleichsweise geringen Anzahl von Experimenten zur Bestimmung der Materialparameter und in der höheren Flexibilität dieses Materialmodells für einen weiten Bereich von Beanspru chungsparametern. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist erreicht worden. Berichtsumfang:
150 S., 84 Abb., 9 Tab., 89 Lit. Beginn der Arbeiten:
01.07.2001 Ende der Arbeiten:
31.12.2001 Zuschussgeber:
AVIF-Nr. A166 Forschungsstelle:
Institut für Werkstoffkunde Technische Universität Darmstadt Prof. Dr.-lng. C. Berger Dr.-lng. A. Scholz Bearbeiter und Verfasser:
Dipl.-lng. A. Samir Obmann des Arbeitskreises:
Dr.-lng. C. Richter, Siemens, Power Generation