KI-unterstützte, mikrostruktursensitive Ermüdungsmodellierung für metastabile Austenite

Abstract

Die Anforderungen an die in druckführenden Komponenten verwendeten Werkstoffe sind von besonderer Bedeutung. Neben einer ausreichenden Festigkeit und Zähigkeit sind die Korrosionseigenschaften ebenfalls ein integraler Bestandteil in der Bauteilauslegung. Diese Anforderungen erfüllt die Werkstoffklasse der nichtrostenden austenitischen Edelstähle. Durch die im laufenden Betrieb auftretenden zyklischen Belastungen durch beispielsweise Vibrationen oder auslegungsüberschreitende Störfälle ist ebenfalls eine ausreichende Schwingfestigkeit zu gewährleisten. Die in deutschen Atomkraftwerken verbauten druckführenden Komponenten werden häufig aus der Stahlgüte 1.4550 (X6CrNiNb18-10) hergestellt. Diese zeichnet sich jedoch durch ein metastabiles Gefüge aus, sodass das vorliegende austenitische Gefüge im Ausgangszustand durch externe Belastungen in Martensit umwandeln kann. Hierbei ändert sich das kubisch-flächenzentrierte in ein kubisch-raumzentriertes bzw. tetragonal-verzerrtes Raumgitter um. Dies geht wiederum mit einer erheblichen Veränderung der mechanischen Eigenschaften einher, welche in der Bauteilauslegung korrekterweise berücksichtigt werden müsste. Mithilfe von numerischen Ansätzen im Kontext der mikrostruktursensitiven Ermüdungsmodellierung können die zyklischen Materialeigenschaften in Form der Werkstofflebensdauer quantitativ vorhergesagt werden. Durch die Verwendung von mikromechanisch-motivierten Materialmodellen auf Basis der Kristallplastizität kann die anisotrope elasto-plastische Verformung einzelner Körner berechnet werden. Dabei können neben der Bewegung und Interaktion von Versetzungen im Kristallgitter auch weitere mikromechanische Mechanismen, wie beispielsweise die belastungsinduzierte Phasenumwandlung abgebildet werden. Basierend hierauf wurden in diesem Forschungsvorhaben die Ansätze der mikrostruktursensitiven Ermüdungsmodellierung erstmals auf metastabile austenitische Edelstähle angewandt. Hierzu wurden zunächst Charakteristika der vorliegenden austenitischen Mikrostruktur im Ausgangszustand mithilfe von lichtoptischer Mikroskopie sowie Elektronenrückstreubeugung erhoben und mithilfe der an der Forschungseinrichtung entwickelten Software DRAGen in statistisch repräsentative Volumenelemente überführt. Neben der experimentellen Absicherung der Lebensdauer mithilfe moderner Kurzzeitverfahren wurden die Materialparameter für den vorliegenden Werkstoff kalibriert. Im Anschluss wurden auf Basis kritischer Ermüdungsindikatoren, welche die Ermüdungsrissinitiierung abbilden, die Lebensdauer erfolgreich numerisch vorhergesagt werden. Eine explizite Berücksichtigung der Phasenumwandlung von Austenit zu Martensit musste dabei jedoch aufgrund von Rechenkapazitäten vernachlässigt werden. Hierbei zeigte sich jedoch, dass diese nicht explizit berücksichtigt werden muss und die Lebensdauer dennoch mit hoher Präzision abgebildet werden kann. In numerischen Untersuchungen wurde das vorliegende Materialmodell unter Berücksichtigung der belastungsinduzierten Phasenumwandlung erstmals unter zyklischer Last eingesetzt. Im Vergleich mit experimentellen Ergebnissen zeigte sich, dass mithilfe des Modells die Evolution der martensitischen Phasenumwandlung qualitativ abgebildet werden kann. Weiterhin wurden potentielle Reihenfolgeeffekte numerisch untersucht und der Einfluss der Phasenumwandlung auf die Lebensdauer qualitativ erfasst. The requirements for materials used in pressure-bearing components are particularly important. In addition to sufficient strength and toughness, corrosion properties are also an integral part of component design. These requirements are met by the material class of austenitic stainless steels. Sufficient fatigue strength must also be ensured due to the cyclic loads that occur during operation, for example, due to vibrations or malfunctions that exceed the design specifications. The pressure-bearing components installed in German nuclear power plants are often made of steel grade 1.4550 (X6CrNiNb18-10). However, this grade is characterized by a metastable microstructure, which means that the existing austenitic microstructure in its initial state can be transformed into martensite by external loads. This causes the face-centered cubic lattice to change into a body-centered cubic or tetragonal distorted lattice. This in turn is accompanied by a significant change in the mechanical properties, which must be taken into account in the component design. Using numerical approaches in the context of microstructure-sensitive fatigue modeling, the cyclic material properties can be quantitatively predicted in terms of finite fatigue life. By using micromechanically motivated material models based on crystal plasticity, the anisotropic elasto-plastic deformation of individual grains can be calculated. In addition to the movement and interaction of dislocations in the crystal lattice, other micromechanical mechanisms, such as load-induced phase transformation, can also be modeled. Based on this, the approaches of microstructure-sensitive fatigue modeling were applied to metastable austenitic stainless steels for the first time in this research project. To this end, the characteristics of the existing austenitic microstructure in its initial state were first determined using optical microscopy and electron backscatter diffraction and then converted into statistically representative volume elements using the DRAGen software developed at the research facility. In addition to experimentally verifying the fatigue life using modern short-time evaluation pro cedures, the material parameters were calibrated. Subsequently, the fatigue life was successfully predicted numerically on the basis of critical fatigue indicator parameters that represent fatigue crack initiation. However, explicit consideration of the phase transformation from austenite to martensite had to be neglected due to computing capacities. However, it became apparent that this does not need to be explicitly taken into account and that the fatigue life can still be predicted with high precision. In numerical investigations, the present material model was used for the first time under cyclic loading, taking into account load-induced phase transformation. Comparison with experimental results showed that the model can be used to qualitatively describe the evolution of martensitic phase transformation. Furthermore, potential sequencing effects were investigated numerically and the influence of phase transformation on fatigue life was qualitatively assessed.