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Dipl.-Ing. Ulrich Führer

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Zyklische Entfestigung ferritisch-martensitischer Stähle unter Kriechermüdungsbelastung

Zyklische Entfestigung
Abb.1: Zyklische Entfestigung in Abhängigkeit der Dehnungsamplitude ohne Haltezeit
Entfestigung mit und ohne Haltezeit
Abb.2: Zyklische Entfestigung mit (blau) und ohne (rot) Haltezeit
1. Zyklen mit und ohne Haltezeit
Abb.3: Hystereseschleifen der 1. Zyklen mit und ohne Haltezeit, Experiment (Punkte) und Simulation (Linien)

Ferritisch-martensitische Stähle sind etablierte Materialien für stark belastete Bauteile in Hochtemperaturanwendungen, wie sie beispielsweise in Kraftwerken auftreten. Dies ist einerseits auf gute Kriecheigenschaften, andererseits auf geringe thermische Ausdehnung und hohe Wärmeleitfähigkeiten, was zu guten thermischen Ermüdungseigenschaften führt, zurückzuführen. Zusätzlich zeigen ferritisch-martensitische Stähle kein signifikantes Schwellen unter Neutronenbestrahlung, was sie für zukünftige Fusions- und Kernreaktoren interessant macht.

Die komplexe Mikrostruktur dieser Stähle ist unter typischen Einsatztemperaturen nicht stabil. Dies führt insbesondere unter zyklischer Belastung zu einer Entfestigung des Werkstoffes, was sich in dehnungskontrollierten Kurzzeitermüdungsversuchen in einer kontinuierlichen Abnahme der Spannungen zeigt (Abb.1). Eine kombinierte Kriechermüdungsbelastung, wie sie im Einsatz typischerweise auftritt, verstärkt diesen Effekt zusätzlich. Dieses grundsätzlich bekannte Materialverhalten wurde hinsichtlich seiner Einflussgrößen und Wechselwirkungen bisher nicht umfassend charakterisiert und wird in Materialmodellen dementsprechend auch nur unzureichend abgebildet.

Im Rahmen des europäischen Projekts MatISSE (Materials‘ Innovations for a Safe and Sustainable nuclear in Europe) [www.fp7-matisse.eu] soll nun der Einfluss von Haltezeitperioden auf das zyklische Entfestigungsverhalten untersucht werden. Dazu sind dehnungskontrollierte Kurzzeitermüdungsversuche mit unterschiedlich langen Haltezeiten unter Zug, Druck sowie kombiniertem Zug und Druck geplant. Um den Einfluss verschiedener Materialchargen auszuschließen, wurde eine zusätzliche Versuchsreihe ohne Haltezeit als Referenz durchgeführt. Zusätzlich soll das beobachtete Verhalten in einem kontinuumsmechanischem Materialmodell abgebildet werden.

Während für Versuche ohne Haltezeit eine gleichmäßige Entfestigung (d.h. betragsmäßig identische Spannungen unter Zug und Druck innerhalb eines Zyklus) beobachtet wurde, zeigte sich in den Versuchen mit Haltezeit eine zusätzliche Entfestigung auf der Seite der eingefügten Haltezeit – eine Haltezeit unter Zug beispielsweise führt nur unter Zug zu reduzierten Spannungen in den darauffolgenden Zyklen (Abb. 2). Eine Verlängerung der Haltezeit führt hier zu einer Verstärkung des Effekts, bis es nach einer bestimmten Dauer zur Sättigung kommt.

Das gewählte Materialmodell erlaubt eine gute Beschreibung des Relaxationsverhaltens während der Haltezeit sowie der Hystereseschleifen der ersten Zyklen auch für lange Haltezeiten (Abb. 3). Die Beschreibung des zyklischen Entfestigungsverhaltens gelingt jedoch nur für Versuche ohne Haltezeit zufriedenstellend. Insbesondere wird durch das Modell eine isotrope Entfestigung des Materials durch die Haltezeit vorausgesagt, wodurch die beobachteten Effekte bisher nicht zufriedenstellend abgebildet werden können. Basierend auf den Versuchsergebnissen soll das Modell an dieser Stelle entsprechend modifiziert werden.