Konstitutive Werkstoffbeschreibung im Kriech- und Kriechermüdungsbereich am Beispiel des warmfesten Schmiedestahls 28CrMoNiV4-9

In dieser Arbeit wurde das Ziel verfolgt, eine robuste, thermodynamisch konsistente Beschreibung des inelastischen Verhaltens am Beispiel eines warmfesten Schmiedestahles vom Typ 28CrMoNiV4-9 in Form eines konstitutiven elasto-viskoplastischen Materialmodells zur Lebensdauerberechnung und Optimierung von Hochtemperaturbauteilen des Kraftwerks- und Anlagenbaues unter praxisnaher Kriech- und Kriechermüdungsbeanspruchung zu erstellen. Das Materialmodell ist in der Lage, Kriechbeanspruchung und Kriechermüdungsbeanspruchung zu erfassen und Verformung sowie Lebensdauer zu beschreiben. Im Vordergrund der theoretischen Arbeiten standen die Anpassung eines Materialmodells an die vorliegende komplexe Beanspruchung und Fragen der Entwicklung und Erprobung eines geeigneten Verfahrens zur Parameteridentifikation sowie die Entwicklung einer UMAT für Finite-Elemente-Berechnungen. Das konstitutive Materialmodell berücksichtigt die kinematische und isotrope Verfestigung sowie isotrope Schädigung und ist für 3D-Simulation konzipiert. Es beruht auf dem Konzept der effektiven Spannung kombiniert mit dem Prinzip der verallgemeinerten Energieäquivalenz. Zur Identifizierung der Materialparameter wurde die Methode der Neuronalen Netze mit anschließender Optimierung durch die Nelder-Mead-Methode zugrunde gelegt. Dabei unterstützt ein speziell entwickeltes Programmpaket den Anwender bei der simultanen Berücksichtigung unterschiedlicher Versuchsarten wie Kriech-, Ermüdungs- und Kriechermüdungsversuche. Die Identifikation der Materialparameter wurde auf der Basis vorhandener 1D-Versuchsdaten durchgeführt. Den Schwerpunkt der experimentellen Arbeiten bildete die Durchführung der Verifikationsversuche an Rundkerbproben und Kreuzproben. Die erzielten Beanspruchungsdauern in den Verifikationsexperimenten liegen bei 2.000 bis 3.000 h unter Variation der die Kriechschädigung beeinflussenden Haltezeit sowie der Beanspruchungshöhe. Hierbei erwies sich insbesondere die dehnungsgeregelte Abbildung einer biaxialen Kriechermüdungsbeanspruchung mithilfe von Kreuzproben von Vorteil hinsichtlich der Nähe zur beheizten Oberfläche von massiven Hochtemperaturbauteilen. Zusammenfassend konnte mit der hier durchgeführten Arbeit das Potenzial dieses fortschrittlichen Materialmodells gezeigt werden. Insgesamt ließen sich mit dem Materialmodell unter Berücksichtigung der begrenzten Datenbasis sowie Anzahl der Identifikations- und Verifikationsexperimente gute Vorhersageergebnisse für mehraxiale Kriech- und Kriechermüdungsbeanspruchung mit einem optimierten Parametersatz erzielen. Zukünftige Erweiterungen betreffen den Schädigungsansatz in Wechselwirkung mit langzeitigen mehrachsigen Kriechermüdungsexperimenten. Der Vorteil für die industrielle Anwendung liegt in der vergleichsweise geringen Anzahl von Experimenten zur Bestimmung der Materialparameter und in der höheren Flexibilität dieses Materialmodells für einen weiten Bereich von Beanspruchungsparametern