Numerische Simulation und experimentelle Charakterisierung des Ermüdungsrisswachstums unter thermozyklischer Beanspruchung

Das Ermüdungsverhalten des austenitischen Stahls X6CrNiNb18-10 (AISI 347) wurde grundlegend untersucht. Die Ermüdungsdaten wurden aus einer Vielzahl von Versuchen bei Raumtemperatur, erhöhter Temperatur und unter TMF-Bedingungen ermittelt und zu einer Datenbasis zusammengefasst. Der Schwerpunkt der experimentellen Arbeiten lag auf der Bestimmung von Daten für konstitutive Materialmodelle. Speziell ist die Identifizierung von Parametern, aber auch deren Entwicklung und Weiterentwicklung als auch die Validierung hervorzuheben. Die wesentlichen Ergebnisse des Einflusses von mechanischer und thermischer Belastung auf das zyklische Spannungs-Dehnungs-Verhaltens und der Ermüdungsfestigkeit werden gezeigt. Die Untersuchungen wurden über ein weites Spektrum von Belastungsparametern durchgeführt und beziehen sich auf mechanische, thermische und kombinierte Belastungen sowie andere Einflussgrößen wie unterschiedliche Oberflächenrauheit und Eigenspannungen in der Oberfläche. Metallographische Untersuchungen zeigen einen der Gruppe der austenitischen Werkstoffe eigenen Effekt der mechanisch induzierten Gitterstrukturumwandlung auf. Uniaxiale Experimente zeigen einen signifikanten Einfluss der Temperatur und einen signifikanten Einfluss extremer Oberflächenrauheit auf. Weitere uniaxiale TMF-beaufschlagte Versuche zeigen eine Reduktion der Ermüdungsfestigkeit auf. An- und Abfahrvorgänge von Komponenten kerntechnischer Anlagen wurden ebenfalls an Kreuzproben experimentell simuliert. Diese komplexen Experimente wurden als Grundlage für die Parameterindentifikation und zur Validierung von komplexen elasto-plastischen Materialmodellen eingesetzt. An Kreuzproben ist die Abminderung der Lebensdauer relativ ausgeprägt. Finite-Elemente-Simulationen kommen zur Beschreibung des Ermüdungsrisswachstums bei thermozyklischer Beanspruchung zum Einsatz. Am Beispiel eines dickwandigen Rohres werden für acht Temperaturtransienten – definiert durch die Verläufe von Temperatur (des durch das Rohr strömenden Fluids), Wärmeübergangskoeffizient und Rohrinnendruck – die wesentlichen Größen für die Risswachstumsrate bestimmt, das effektive zyklische J-Integral bzw. die effektive Rissspitzenöffnungsverschiebung. Eine Approximationsfunktion zur Beschreibung des effektiven zyklischen J-Integrals ermöglicht die Modellierung ohne Abbildung des Risses im Geometriemodell