Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten austenitischer Werkstoffe und deren Schweißverbindungen für RDB- und Kerneinbauten im HCF- und VHCF-Bereich (VHCF-II); Teilvorhaben: Untersuchungen zur Übertragungskette Laborprobe - Komponente; Teilvorhaben: Very High Cycle Fatigue (VHCF) von austenitischen Stählen; Teilvorhaben: Untersuchungen zum EAF-Schwellwertverhalten und Konzeptentwicklung; Reaktorsicherheitsforschung

Abstract

Im Rahmen des VHCF-2 Projektes konnte erfolgreich das Rechenkonzept zur Bewertung von transient belasteten Bauteilen verbessert werden. Eine umfassende Charakterisierung des Wechselverformungs- und Umwandlungsverhaltens der Grundwerkstoffe AISI 347 und 304L sowie des Schweißguts ER 347 wurde durchgeführt. Dazu wurden total-dehnungskontrollierte Versuche im LCF- und HCF-Bereich bei RT und 300 °C sowie verschiebungskontrollierte Versuche im VHCF-Bereich eingesetzt. Die dabei gesammelten Datensätze wurden in gemeinsame Strain-Life-Diagramme übertragen. Ferner wurde der Einfluss von Reihenfolgeeffekten durch zweistufige Beanspruchung erstmals untersucht. Dabei wurden sowohl sehr große und kleine Beanspruchungen (LCF-VHCF und VHCF-LCF), als auch moderate und kleine Beanspruchungen (HCF-VHCF und VHCF-HCF) betrach-tet. Die mikrostrukturellen Änderungen infolge der Ermüdung wurden mittels lichtmikroskopischer und rasterelektronenmikroskopischer Aufnahmen charakterisiert. Dabei wurde insbesondere die Umwandlung von Austenit in α′-Martensit bei beiden Temperaturen (RT und 300 °C) festgestellt. Untersuchungen zum Mediumseinfluss bestätigten die Notwendigkeit eines konservativen Schwellwertes von 0.1 % Dehnungsamplitude in Hochtemperaturwasser. Es hat sich des Weiteren gezeigt, dass für die getesteten Werkstoffe, die ein komplexes Ver- und Entfestigungsverhalten aufweisen eine entsprechend angepasste Versuchsführung bzw. eine darauf basierende Steuerung der Prüfmaschine nötig ist. El. pl. Werkstoffmodelle zur numerischen Simulation wurden damit ebenfalls erstellt. Bauteilähnliche Proben und zwei abgesägte SSFE-Komponenten wurden erfolgreich bei 300 °C unter konstanter und variabler Lastamplitude getestet, um die experimentelle Lebensdauer zu ermitteln. Verschiedene Schädigungsparameter wurden anschließend mit Hilfe von lokalen Konzepten angewendet, um durch einen Vergleich von experimenteller und berechneter Lebensdauer eine weitere Empfehlung für ein Berechnungskonzept machen zu können. Dabei kam das Konzept der kritischen Ebene zur Anwendung. Beim Vergleich der geschätzten Lebensdauern mit den experimentellen Befunden zeigte sich, dass der Schädigungsparameter FDPFGF die am wenigsten konservativen Ergebnisse liefert und den experimentellen Lebensdauern am nächsten kommt. Generell zeigte sich, dass insbesondere die Implementierung von bezogenen Dehnungsgradienten eine wesentliche Einflussgröße zur deutlichen Verbesserung der Lebensdauerabschätzung darstellt. Für eine Verbesserung der Vorhersage der Schadensakkumulation variabler Amplitude (VAL) sind die Modellierung von Lastreihenfolgeeffekten und die Einbeziehung einer transienten Dauerfestigkeit die entscheidenden Faktoren. Insbesondere der auf der Kurzrissbruchmechanik basierende FDPJ-Parameter lässt eine effektive Modellierung von Reihenfolgeeffekten durch die Modifikation der Rissöffnungs- und Rissschließniveaus (transientes Rissöffnungs- und Rissschließverhalten) zu, wobei sich die Dauerfestigkeitsgrenze an Belastungsniveaus anpasst wird, die jeweils die Referenz-Dauerfestigkeitsgrenze überschreiten. As part of the VHCF-2 project, the calculation method for assessing components subjected to transient loads has been successfully improved. A comprehensive characterisation of the cyclic deformation and transformation behaviour of the base materials AISI 347 and 304L, as well as the weld metal ER 347, was carried out. To achieve this, total strain-controlled tests were conducted in the LCF and HCF ranges at room temperature and 300 °C, and strain-controlled tests were carried out in the VHCF range. The data sets collected in this way were transferred to joint strainlife diagrams. Furthermore, the influence of sequence effects due to wo-stage loading was investigated for the first time. Both very high and very low loads (LCF-VHCF and VHCF-LCF), as well as moderate and low loads (HCF-VHCF and VHCF-HCF), were considered. The microstructural changes resulting from fatigue were characterised using light microscopy and scanning electron microscopy images. In particular, the transformation of austenite into α′-martensite was observed at both temperatures (RT and 300 °C). Investigations into the influence of corrosion confirmed the need for a conservative threshold value of 0.1 % strain amplitude in high-temperature water. It has also been shown that, for the materials tested, which exhibit complex hardening and softening behaviour, a suitably adapted test procedure, or control of the testing machine based on this, is necessary, particularly under medium conditions. Material models for numerical simulation were also created using this method. Component-like specimens and two shorted CRGAS components were successfully tested at 300 °C under constant and variable load amplitudes to determine their experimental fatigue life. Various damage parameters were subsequently applied using localised approaches in order to be able to make a further recommendation for a calculation method by comparing experimental and calculated fatigue lives. The concept of the critical plane was applied in this context. A comparison of the estimated service lives with the experimental findings showed that the damage parameter FDPFGF yields the least conservative results and comes closest to the experimental service lives. In general, it was found that, in particular, the implementation of relative strain gradients is a key factor in significantly improving service life estimation. Modelling load sequence effects and incorporating transient fatigue strength are the decisive factors for improving the prediction of variable-amplitude damage accumulation (VAL). In particular, the FDPJ parameter, which is based on short-crack fracture mechanics, allows for effective modelling of sequence effects by modifying the crack opening and crack closing levels (transient crack opening and closing behaviour), whereby the fatigue strength limit is adapted to load levels that exceed the reference fatigue strength limit in each case.