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. Datei-Upload durch TIB The calibration of macroscopic damage models is often limited by the extensive experimental effort required, especially in safety-critical applications such as nuclear reactors, where extracting large quantities of material is not feasible. To address this challenge, this research project developed a simulation concept that determines model parameters through microstructuresensitive simulations with minimal material usage. This approach considers the local material state and enables general applicability to alternative material states after aging or damage. In the developed simulation concept, three-dimensional statistically representative volume elements (RVE) of the microstructure are generated based on quantitative microstructural data from EBSD-analyses and using the developed RVE-generator DRAGen. Mechanical properties are assigned to these models by calibrating a crystal plasticity model, which accounts for flow behavior under varying strain rate and temperature conditions. Micromechanical damage criteria are defined to capture damage initiation: localization criteria of plastic strain in the form of a Maximum Force Criterion for ductile damage and fracture stresses of individual microstructural constituents as a principal stress criterion for cleavage fracture. The probabilistic nature of cleavage fracture is accounted for by numerous simulations of different but statistically equivalent RVE. Virtual experiments under various periodic deformation boundary conditions are used to determine supporting points in the equivalent strain-stress state-space, which are subsequently used to calibrate macroscopic damage initiation loci. This methodological approach has been documented as a guideline. The simulation approach was applied and validated for the material 22NiMoCr3-7 in this project. The predominantly bainitic microstructure was assumed to be single-phase and showed only weakly pronounced hierarchical substructures. Calibration of the crystal plasticity parameters was therefore performed through inverse calibration using macroscopic tensile tests. The microstructure-sensitive simulations showed good agreement with experimentally validated results at room temperature for ductile damage initiation under certain stress states. Under pure shear, it was found that the applied Maximum Force Criterion provided inaccurate predictions, as the force maximum under shear corresponds to ductile failure rather than ductile damage initiation. At lower temperatures, -120 °C and -196 °C, the predictive capability for microcrack initiation during cleavage fracture is limited. Homogenized supporting points were predicted which were significantly below the macroscopic calibrated limit-strains for microcrack initiation. This indicates either an inaccurate fracture stress value from the literature or an unsuitable damage criterion at the microscale. Fracture stress values from the literature are based on fracture mechanics studies and thus belonging to the macroscale. However, in this research project, local microstructural features were simulated using a criterion for stresses in specific grains. This may result in a discrepancy between the technical, observed fracture stress on the macroscale and the required local, micromechanical fracture stress on the microscale. Furthermore, the validity of the macroscopic microcrack initiation locus used as a reference is not guaranteed under all loading conditions, as validation with Charpy impact tests revealed. The developed simulation concept demonstrates the ability to determine macroscopic material properties under various conditions with minimal experimental effort and material usage. Despite the partially successful prediction of ductile damage initiation at room temperature, challenges remain, particularly in predicting microcrack initiation at lower temperatures and specific stress states. These could be addressed through extended calibration or alternative micromechanical criteria.