Mikrostruktursensitive Beschreibung der Restbeanspruchbarkeit von Komponenten nach auslegungsüberschreitenden Störfällen Im Rahmen der Initiative: Kompetenzerhalt in der Kerntechnik

Abstract

Die Kalibrierung makroskopischer Schädigungsmodelle ist oft durch den hohen experimentellen Aufwand limitiert, insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen wie bei Kernreaktoren, wo die Entnahme großer Materialmengen nicht möglich ist. Um diese Herausforderung zu adressieren, wurde in diesem Forschungsvorhaben ein Simulationskonzept entwickelt, das durch mikrostruktursensitive Simulationen die Modellparameter mit minimalem Materialeinsatz bestimmt. Dieser Ansatz berücksichtigt den lokalen, vorliegenden Materialzustand und ermöglicht eine allgemeine Anwendbarkeit auf alternative Materialzustände nach Alterung oder Schädigung. In dem entwickelten Simulationskonzept werden zunächst dreidimensionale statistisch repräsentative Volumenelemente (RVE) der Mikrostruktur erzeugt, basierend auf quantitativen Mikrostrukturdaten aus EBSD-Untersuchungen und mit Hilfe des entwickelten RVE-Generators DRAGen. Mechanische Eigenschaften werden diesen Modellen über die Kalibrierung eines Kristallplastizitätsmodells zugewiesen, welches Fließverhalten unter verschiedenen Dehnraten- und Temperaturbedingungen berücksichtigt. Zur Schädigungsinitiierung werden mikromechanische Schädigungskriterien definiert: Lokalisierungskriterien plastischer Verzerrungen in Form eines Kraftmaximum-Kriteriums für duktile Schädigung und Bruchspannungen einzelner Gefügebestandteile als Hauptspannung-Kriterium für Spaltbruch. Der probabilistische Charakter des Spaltbruchs wird über eine Vielzahl an Simulationen unterschiedlicher, aber statistisch äquivalenter RVE berücksichtigt. Virtuelle Experimente mit verschiedenen periodischen Verformungsrandbedingungen dienen zur Bestimmung von Stützstellen im Vergleichsdehnung-Spannungszustand-Raum, die anschließend zur Kalibrierung makroskopischer Schädigungsinitiierungs-Loci genutzt werden. Dieses methodische Vorgehen wurde in Form einer Richtlinie dokumentiert. Der simulative Ansatz wurde in diesem Projekt am Werkstoff 22NiMoCr3-7 vollzogen und validiert. Die überwiegend bainitische Mikrostruktur wurde als einphasig angenommen und zeigte nur schwach ausgeprägte hierarchische Substrukturen. Die Kalibrierung der Kristallplastizitätsparameter erfolgte daher über eine inverse Kalibrierung am makroskopischen Zugversuch. Die mikrostruktursensitiven Simulationen zeigten gute Übereinstimmung mit experimentellnumerischen Ergebnissen bei Raumtemperatur für die duktile Schädigungsinitiierung unter bestimmten Spannungszuständen. Bei reiner Scherung stellte sich heraus, dass das angewandte Kriterium der maximalen Kraft zur Beschreibung von Lokalisierungen unzutreffende Vorhersagen liefert, da das Kraftmaximum bei Scherung dem duktilen Versagen und nicht der duktilen Schädigungsinitiierung entspricht. Bei tieferen Temperaturen, -120 °C und -196 °C, ist die Vorhersagefähigkeit der Mikrorissinitiierung bei Spaltbruch eingeschränkt. Hier wurden homogenisierte Stützstellen prognostiziert, welche deutlich unterhalb der makroskopisch kalibrierten Grenzdehnungen zur Mikrorissinitiierung lagen. Dies weist entweder auf einen unzutreffenden Bruchspannungswert aus der Literatur oder auf ein ungeeignetes Schädigungskriterium auf der Mikroskala hin. Die in der Literatur angegebenen Bruchspannungswerte basieren auf bruchmechanischen Untersuchungen und beziehen sich daher auf die Makroskala. In diesem Forschungsvorhaben wurden jedoch lokale Gefügestrukturen unter Anwendung eines Kriteriums für Spannungen in spezifischen Körnern simuliert. Dies kann zu einer Diskrepanz zwischen der technischen, beobachteten Bruchspannung auf der Makroskala und einer erforderlichen lokalen, mikromechanischen Bruchspannung auf der Mikroskala führen. Zudem ist die Validität des als Referenz herangezogenen makroskopischen Mikrorissinitiierungs-Lokus nicht unter jedem Belastungszustand gegeben, wie die Validierung anhand bruchmechanischer Untersuchungen aufzeigte. Das entwickelte Simulationskonzept demonstriert die Fähigkeit, makroskopische Materialeigenschaften unter diversen Umständen mit geringem experimentellem Aufwand und minimalem Materialeinsatz zu bestimmen. Trotz zum Teil erfolgreicher Vorhersage der duktilen Schädigungsinitiierung bei Raumtemperatur bleiben Herausforderungen insbesondere bei der Bestimmung der Mikrorissinitiierung bei tieferen Temperaturen und spezifischen Spannungszuständen bestehen, die durch eine erweiterte Kalibrierung oder alternative mikromechanische Kriterien adressiert werden könnten.