Grobkorneinfluss LCF Austenite

Abstract

Im Fokus des beantragten Forschungsvorhabens steht die systematische Untersuchung des Einflusses von grober Kornstruktur austenitischer Werkstoffe auf das Ermüdungsverhalten von Bauteilen in Dampfkraftwerken und thermischen Anlagen, die zunehmend zyklisch betrieben werden. Bisher werden hier aufgrund vorteilhafter statischer Hochtemperatureigenschaften vornehmlich grobkörnige austenitische Werkstoffe eingesetzt. Für den vermehrt zyklischen Betrieb werden von feinkörnigeren Werkstoffzuständen Vorteile für die Lebensdauer erwartet. Hieraus ergeben sich Unsicherheiten für die derzeit eingesetzten grobkörnigen Werkstoffzustände, da die regelwerkskonforme Auslegung nicht den Einfluss unterschiedlicher Korngrößen berücksichtigt und der Einfluss der Korngröße auf die Lebensdauer von Bauteilen aus austenitischen Werkstoffen derzeit nicht quantifizierbar ist. Forschungsbedarf bestand somit in der Erstellung einer Datenbasis zur sicheren Bewertung der Kornstruktur auf das Ermüdungsverhalten praxisrelevanter austenitischer Stähle für Kraftwerksanwendungen und Anwendungen in thermischen und Chemie-Anlagen. Hierbei ist auch der Einfluss von Dehnraten und Haltezeiten bei betriebsrelevanten Beanspruchungen zu berücksichtigen. Anhand einer zu erstellenden Datenbasis sollten kritische Korngrößen abgeleitet und ein Vorschlag für verbesserte Regelwerke und Liefervorschriften erstellt werden, die den Einfluss der Korngröße auf die Ermüdungslebensdauer berücksichtigen. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde ein gängiges Verfahren zur gezielten Einstellung einer gewünschten Korngröße, basierend auf einer starken Kaltverformung mit anschließender Rekristallisationsglühung, qualifiziert. Es konnten Kornzustände der Korngröße 3 bis 9 (nach ASTM E 102) hergestellt werden, aus denen nach Vorversuchen die geeigneten Kornzustände „grob“ und „fein“ für die umfangreichen Ermüdungsversuche identifiziert wurden. An diesen beiden Kornzuständen wurden für die verschiedenen austenitischen Werkstoffe sowohl Ermüdungsversuche als auch Kriechermüdungsversuche mit betriebsrelevanten langen Haltezeiten im für praktische Anwendungen typischen Temperaturbereich durchgeführt. Erwartungsgemäß zeigen die untersuchten Werkstoffzustände Unterschiede im Ermüdungsverhalten bei hohen mechanischen Kurzzeitbelastungen, da hier die Festigkeitseigenschaften der austenitischen Stähle bestimmend sind. Entgegen den Erwartungen wurden jedoch auch bei Versuchen mit betriebsrelevanten niedrigen Dehnungsschwingbreiten und entsprechend langzeitigen Beanspruchungsdauern keine signifikanten Änderungen im Anrissverhalten der untersuchten Kornstrukturen festgestellt, obwohl hier die Duktilitätseigenschaften und kornstrukturabhängigen Schädigungsmechanismen zunehmend für die (Kriech-)Ermüdungslebensdauer bestimmend werden. So konnte im Rahmen des Vorhabens zwar der Einfluss der Korngröße auf die Kriechermüdungslebensdauer von Bauteilen aus den untersuchten austenitischen Stählen quantifiziert und beschrieben werden. Die ursprünglich erwartete Reduzierung der Lastspielzahl bis zum Anriss durch Grobkorn ist jedoch nur in hohen, nicht mehr betriebsrelevanten Beanspruchungsbereichen zu erwarten. Eine kritische Korngröße für die Ermüdungsbeanspruchung konnte in den vorliegenden Untersuchungen nicht identifiziert werden. Somit ist dieses unerwartete Forschungsergebnis für die industrielle Anwendung als positiv zu bewerten, da vorhandene Berechnungsunterlagen und Liefervorschriften nicht geändert werden müssen. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist erreicht worden.