Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Results of an extended TMF test program on grade P92 steel in the temperature range of 620 ◦C–300 ◦C, comprising in-phase (IP) and out-of-phase (OP) tests, partly performed with symmetric dwells at Tmax/Tmin, are presented. In contrast to previous studies, the low-strain regime is also illuminated, which approaches flexible operation in a power plant with start/stop cycles. At all strain amplitudes, the material performance is characterized by continuous cyclic softening, which is retarded in tests at lower strains but reaches similar magnitudes in the course of testing. In the investigated temperature range, the phase angle does not affect fatigue life in continuous experiments, whereas the IP condition is more detrimental in tests with dwells. Fractographic analyses indicate creep-dominated and fatigue-dominated damage for IP and OP, respectively. Analyses of the (micro)hardness distribution in the tested specimens suggest an enhanced microstructural softening in tests with dwell times for the low- but not for the high-strain regime. To rationalize the obtained fatigue data, the fracturemechanics-based DTMF concept, which was developed for TMF life assessment of ductile alloys, was applied. It is found that the DTMF parameter correlates well with the measured fatigue lives, suggesting that subcritical growth of cracks (with sizes from a few microns to a few millimeters) governs failure in the investigated range of strain amplitudes.
In nickelbasierten Superlegierungen, die für Gasturbinenschaufeln verwendet werden, sind bei hohen Betriebstemperaturen und -belastungen Kriechschäden, Ermüdung, Korrosion und Oxi-dation zu beobachten. Die betroffenen Turbinenschaufeln müssen ersetzt oder repariert werden, um Effizienzverluste und ein eventuelles Bauteilversagen zu vermeiden. In letzter Zeit wurden additive Fertigungs- und Lötverfahren für die Reparatur und das Fügen von Nickelbasiswerk-stoffen entwickelt, um die Einschränkungen der traditionellen Reparaturverfahren zu überwinden. Für eine auslegungsrelevante Bewertung des Risswachstumsverhaltens in den Fügezonen, die durch diese neuen Technologien erzeugt werden, sind Rissfortschrittsuntersuchungen erfor-derlich. Entsprechende Untersuchungen an gefügten Proben werden in diesem Beitrag vorge-stellt. Die Rissfortschrittsversuche werden an gefügten SEN-Proben (Single Edge Notch) bei einem Spannungsverhältnis von 0,1 und einer Temperatur von 950 °C durchgeführt. Das Riss-wachstum wird mit der DCPD-Methode (Direct Current Potential Drop) überwacht, und die ge-messenen Potenzialsignale werden anhand der optisch vermessenen Risslänge und einer Finite-Elemente-Analyse kalibriert. Der Spannungsintensitätsfaktor (SIF) für die gefügte SEN-Geometrie wird mit Hilfe von Finite-Elemente-Analysen berechnet. Auf diese Weise können Rissfortschrittskurven aus den experimentellen Daten abgeleitet werden.
Das hochaktuelle Thema der Integration und Wiederverwendung von Wissen und Daten aus Herstellung, Bearbeitung und Charakterisierung von Materialien ('Digitalisierung von Materialien') wird in den Projekten Innovationsplattform MaterialDigital (PMD, materialdigital.de) und Materials-open-Lab (Mat-o-Lab, matolab.org) adressiert. In diesem Beitrag werden die Weiterentwicklungen in diesen Projekten hinsichtlich der Speicherung von Zugversuchsdaten gemäß einer normenkonformen (DIN EN ISO 6892-1:2019-11) ontologischen Repräsentation vorgestellt. Das umfasst den Weg von der Entwicklung einer Ontologie nach Norm, der Konvertierung von Daten aus Standardtests in das interoperable RDF-Format bis hin zur Verknüpfung von Ontologie und Daten. Letztendlich können die entsprechenden Daten in einem Triple Store abgelegt und abgefragt werden.
Charakterisierung von Hochtemperaturwerkstoffen durch Zug- und Ermüdungsversuche an Kleinproben
(2019)
Die Verwendung von miniaturisierten Probengeometrien in der mechanischen Prüfung ermöglicht die Entnahme des Probenmaterials direkt aus kritischen Bereichen wie Fügeverbindungen und ermöglicht die Prüfung von kleinen Bauteilen wie additiv gefertigten Strukturen. In der vorliegenden Arbeit werden exemplarisch die Ergebnisse von vergleichenden Zug- und niederzyklischen Schwing-versuchen (LCF) an dem austenitischen Stahl AISI 316L und der Nickelbasislegierung IN718 vorgestellt. Die Prüfergebnisse der Kleinproben aus AISI 316L weisen die charakteristischen Eigenschaften des Werkstoffs auf, und die Analyse der Zug- und Ermüdungsdaten führt zu Werten, die den Literaturdaten weitgehend entsprechen. Der direkte Vergleich mit Standardprobendaten zeigt jedoch systematische Abweichungen bei Zugfestigkeit, Dehngrenze und Gleichmaßdehnung, die in diesem Beitrag diskutiert werden.
Konventionelle Kraftwerke sind durch die Energiewende erheblichen Anforderungen ausgesetzt. Mangels ausreichender Stromspeicherkapazitäten müssen sie zur Netzstabilisierung flexibel auf die wetter- und tageszeitbedingte Fluktuation der Wind- und Sonnenergie reagieren, was gegenüber dem Grundlastbetrieb eine hohe Anzahl von Lasteingriffen oder Anfahrvorgängen bedeutet. Schnelle Lastwechsel und Anfahrvorgänge führen jedoch zu einer erheblichen Beanspruchung aller Bauteile des Dampfkreislaufs, die zu einer beschleunigten Bauteilschädigung und bis hin zu Anlagenausfällen führen können.
Vor diesem Hintergrund werden an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) Untersuchungen zur Beständigkeit ferritisch-martensitischer Dampferzeuger-werkstoffe mit 9 12 Gew. % Cr (P91, P92, VM12 SHC) bei zyklischem Anlagenbetrieb durchgeführt. Ziel der Arbeiten ist, durch grundlegende Korrosions- und Mechanikversuche unter zyklischen Bedingungen und ergänzende Simulationen die Reaktion dieser Werkstoffgruppe auf lastflexible Betriebsprofile umfassend zu beschreiben. Aufbauend auf einer detaillierten Charakterisierung der auftretenden Schädigungsmechanismen werden in einem Folgeschritt Standardzyklen zur effizienten Prüfung einzelner Werkstoffe abgeleitet.
Der Beitrag gibt einen kurzen Überblick über die Konzeption und stellt nachfolgend die aktuellen Projektergebnisse vor. Im Bereich der Oxidations-/Korrosionsuntersuchungen steht dabei zunächst die Integrität der schützenden Oxidschichten, vor allem auf der Dampfseite der Komponenten, im Vordergrund. Hierzu werden zyklische Oxidationstests an Standardproben und bauteilnahen Probengeometrien durchgeführt und die Oxidationskinetik sowie die Entwicklung der Haftfestigkeit untersucht. Die mechanischen Untersuchungen bauen auf den bekannten Kriech- und Ermüdungseigenschaften auf. Der Schwerpunkt liegt deshalb auf der Untersuchung von Schädigung und Lebensdauer bei Kombination von stationären Zuständen (mit überwiegender Kriechschädigung) und transienten Zuständen inklusive Temperaturwechseln, die Kriechermüdungs- bzw. thermo-mechanische Ermüdungsprozesse auslösen und so eine frühzeitige Rissbildung bewirken können. Im Hinblick auf die Flexibilisierung von Bestandsanlagen werden betriebsbeanspruchte Chargen in die Untersuchungen einbezogen, um eventuelle zusätzliche Effekte durch Werkstoffalterung zu berücksichtigen.