Entwicklung eines Kurzzeitverfahrens zur Bewertung schadensrelevanter Parameter von in der Kerntechnik eingesetzten ferritischen Werkstoffen und Bauteilen (EKusaP)

Abstract

Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens EKusaP besteht in der beschleunigten Bereitstellung von Ermüdungsdaten für ferritische Werkstoffe, die in der deutschen Kernenergietechnik Anwendung fanden. Hierbei liegt ein wesentlicher Fokus auf der vorgangsorientierten Bewertung des Ermüdungsverhaltens eines 20MnMoNi5-5 Stahls unter Berücksichtigung schadensrelevanter Parameter. Durch die Kombination zerstörungsfreier Prüfverfahren mit der konventionellen, zerstörenden Werkstoffprüfung kann der Informationsgehalt bezüglich dem Wechselverformungsverhalten signifikant gesteigert werden. Neben der Weiterentwicklung des Lebensdauerprognoseverfahrens StressLife besteht ein zentraler Aspekt des Forschungsprojektes in der Entwicklung eines lokalen Lebensdauerprognoseverfahrens mit dem Namen MiDAcLife (Miner Damage Accumulation Lifetime Prediction) das zusätzlich zu einer Probenreduktion eine Integration von Einflussfaktoren in die Berechnungen ermöglicht. Das Verfahren nutzt die, mittels zerstörungsfreier Prüfung-basierten Messmethoden generierten Daten als Eingangsgröße für die Berechnung virtueller Bruchlastspielzahlen. Anhand der neu entwickelten Methodik, welche für die Berechnungen lediglich eine Ermüdungsprobe und somit einen Ermüdungsversuch benötigt, kann der Versuchsaufwand im Vergleich zu konventionellen Verfahren deutlich reduziert werden. Folglich können durch MiDAcLife auch die entstehenden Kosten nachweislich verringert werden. Die Ermüdungsversuche werden im High Cycle Fatigue Bereich durchgeführt, wodurch insbesondere die Rissinitiierung an der Probenoberfläche von entscheidender Bedeutung ist. Um den Einfluss unterschiedlicher Oberflächengüten auf das Ermüdungsverhalten zuverlässig bewerten zu können, werden im Rahmen des Projekts fünf voneinander variierende Oberflächenzustände geprüft. Die Auswirkungen der Rauheit, die in einer lokalen Spannungserhöhung resultiert, wird hierbei durch einen Fatigue Notch Factor beschrieben, wodurch eine direkte Integration in das Verfahren MiDAcLife zugänglich gemacht wird. Daraus resultierend, können virtuelle Wöhlerkurven für die jeweiligen Oberflächenzustände basierend auf lediglich einer Referenzoberfläche ermittelt werden. Um einen Bezug zu praxisnahen Bedingungen sicherzustellen, werden die Ermüdungsversuche bei drei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt. Während die Methodenentwicklung anhand der Versuche bei Raumtemperatur erfolgt, so wird der Rauheitseinfluss zusätzlich unter Berücksichtigung erhöhter Umgebungstemperaturen von 220 ◦C und 330 ◦C untersucht. Datei-Upload durch TIB The overall objective of the research project EKusaP is the accelerated provision of fatigue data regarding ferritic materials that were used in German nuclear power plants. The main focus is on the process-orientated assessment of the fatigue behaviour of a 20MnMoNi5-5 steel, considering damage-relevant parameters such as surface roughness or residual stresses. By combining nondestructive testing methods with conventional destructive materials testing, the information content regarding the cyclic deformation behaviour can be increased significantly. In addition to the further extension of the global lifetime prediction method StressLife, a central aspect of this research project is the development of a new local lifetime prediction method called MiDAcLife (Miner Damage Accumulation Lifetime Prediction), which, apart from the significant specimen reduction, enables an integration of influencing factors into the calculations. The procedure uses the data generated by non destructive testing-related measurements as input for the estimation of virtual numbers of cycles to failure. Based on the newly developed methodology, which requires only one fatigue specimen and therefore only one fatigue test, the testing effort can be reduced significantly compared to conventional methods. Consequently, MiDAcLife demonstrably reduces incurred costs. The fatigue tests within this project are performed in the High Cycle Fatigue regime. Based on this insight, crack initiation at the surface of the specimens is of distinctive importance. To reliably evaluate the influence of an increased surface roughness on fatigue behaviour, five different surface conditions are machined and tested within this research. Since surface roughness leads to a local increase concerning the stress concentration, it needs to be described using a Fatigue Notch Factor, which enables integration into the lifetime prediction method MiDAcLife. As a result, virtual S-N curves are determined for the respective surface conditions based on one reference surface. In order to ensure a reference to operational conditions, fatigue tests are performed at three different temperatures. While the development of the methodology is carried out based on the results at room temperature, the influence of an increased surface roughness is furthermore examined under consideration of elevated ambient temperature of 220 ◦C and 330 ◦C.