-
Im Gegensatz zum ursprünglichen linearen Modell, für die Berücksichtigung nicht linearer Schadensakkumulationseffekte, basierend an den Erkenntnissen aus den Versuchen, wird der kritische Wert von erschöpfungs freien Gesamtschädigung D nicht als Konstante gleich 1 spezifiziert, sondern als eine Variable, die abhängig von den Anteilen, der Kriech- und Ermüdungsschäden und des Materials zunehmend niedriger ist. Die entsprechende bi-lineare Abhängigkeit, die das Verhalten simuliert, ist grafisch in Form einer Kriech-Ermüdungs-Umhüllungskurve angegeben. Die verschiedenen Umhüllungskurven, die in den aktuellen Codes angegeben sind, schränken die Anwendung für verschiedene Materialien bis zu extrem niedrigen werten (0,02, 0,1) und sind dadurch nicht nur schwer umzusetzen sonder auch für die Praxis insbesondere bei den modernen Konstruktionen und Materialien ungeeignet!
-
Diesen extremen Unzulänglichkeiten deuten auf die Existenz von zusätzlichen Mechanismen, die den gesamten Schädigungsprozess antreiben und die Lebensdauer unter den Bedingungen der Kriech-Ermüdung reduzieren. Das mit höhen Reserve Faktoren zu berücksichtgen, auch wenn diese „statistisch gesichert“ sein sollten, ist irreführend. Mit der zunehmenden Betriebstemperatur, darüber hinaus dominieren diese zusätzlichen Mechanismen den Schädigungsprozess und, bei nicht adäquater Beachtung behindern, bzw. begrenzen die erfolgreiche Konstruktion- und Materialanwendung ungewollt hoch.
-
Die Untersuchungen unter Kriech-Ermüdungs-Belastungsbedingungen bei sehr hoher Temperatur (850 ° C) mit der Legierung 800H haben gezeigt, dass die Einführung einer Zug-Haltezeit bei maximaler Belastung eines Ermüdungszyklen die deutliche Verringerung der Lebensdauer verursacht. Es wurde erkannt, dass die Korngrenzenchemie ein wesentlicher Faktor ist (Bild), der Verfestigung, Entfestigung und Schadensverhalten austenitischen rostfreien Stählen und Nickel-Basis-Legierungen erheblich beeinflusst. Aufgrund der Korngrenzenoxidation, die tiefer als Oberflächenoxidation eindringt, erscheint die beschleunigte Ermüdungsrisskeimbildung (oder "Schadensinkubation"), die zu der signifikanten Verkürzung der Lebensdauer im Test mit der Haltezeit führt. Diese Oxidation beschleunigt auch Ermüdungsschäden sowohl hinsichtlich der Ermüdungsrissbildung und Ermüdungsrissausbreitung. Einmal initiiert, Oberflächenrisse, die sich unter der Belastung öffnen, setzen auf diese Weise, die neuen tieferen Oberflächenschichten zu der Gasphase und Oxidation dazu.
-
Unter der Berücksichtigung von den beschriebenen Oxidations-Mechanismus wurde die innovative Methode, basierend an der Verfeinerung der klassischen Dehnungsbereichsaufteilungsmethode (Strain Range Partitionig) im Rahmen des BRITE Projektes 1209, entwickelt und erfolgreich erprobt. Das zweckmäßige Verfahren verwendet die Synergie zwischen vereinfachten, aber robusten Auslegungsmethode für Hochtemperaturanlagen, basierend auf Berücksichtigung der zeitabhängigen Materialeigenschaften und beschleunigten Materialeigenschaftentests. Angesichts der Anforderungen zu den neuen Energiequellen und des Bedarfes an der Anwendung von neuen Werkstoffen ist ihre Anwendung nützlich und aktuell.
-
Die phänomenologische Grundlage der Methode ist in der Abbildung dargestellt: Bei Haltezeiten und zeitabhängiger Belastungsänderung entstehen neben den plastischen Verformungen (P) maßgebenden Kriechdehnungen (C). Bei den gleichen Beträgen der Kriechverformung im Zug- und Druckbereich geschlossenen Lastfolge handelte es sich um CC-Dehnungsanteile. Die innerhalb eines Zyklus nicht ausgeglichene Kriechdehnungen ergeben entweder CP oder PC Anteile, weshalb auch innerhalb einer Belastungsschleife nur entweder Zug- oder Druckanteilen vorkommen können, die sich aus der Mischung ergeben. Aufgrund von Oxidations- und Spannungseinflüssen beeinflusst die CP-Partition zusätzlich die Lebensdauer. Insbesondere ist zu beachten, dass die Oxidation die Rissbildung an Oberflächen sehr stark beschleunigt und so den PP-Anteil der Lebensdauer stark reduziert. Die ursprüngliche SRP-Methode ignoriert dies.
-
Wie man feststellen kann, basieren die SRP- Testformen auf den Vereinfachungen,
die für die Spannungs-Dehnungs-Verläufe an Komponenten nicht repräsentativ sind. Weitere Beispiele für die
CP- Belastungsfolgen im Labor sind mit Haltezeiten bei der konstanten Dehnung im Zug, die allerdings auch
weniger übereinstimmen mit den Belastungsverläufen in der Praxis sind. Darüber hinaus, die im Labor durchgeführten
Tests sind in der Regel von kurzen Zeitdauer, in der Größenordnung von einigen Stunden bis einigen hundert
Stunden. Komponenten, die bei hohen Temperaturen arbeiten, werden dagegen für mehrere Tausenden von Stunden
oder sogar Hunderte von Tausenden von Stunden ausgelegt. Deshalb, wenn Kriech-Ermüdungs-Daten, die im Labor
bei kurzen Zeiten erzeugt werden, an die praxisnahen langen Lebensdauer extrapoliert werden, sollte die
Zeitabhängigkeit der Lebensdauerbeziehungen angemessen berücksichtigt werden.
-
Bisher sind zu diesem Zweck zwei Modifikation der SRP- Methode vorgeschlagen, die in etwa gleichen Zeit wie unser Projekt (1986) entwickelt wurden. Die durch Steady-State-Creep Rate (SSCR) und Exposure Time (ET) geänderte CP Lebensdauerbeziehung charakterisieren den Einfluss der Gesamtzeitdauer (bis zum Bruch) auf die CP-Dehnungsaufteilung durch die irreführende Annahme, dass die PP-Lebensdauerbeziehung nicht zeitabhängig ist. Für die Bestimmung der PP-Lebensdauerbeziehungen werden die dehnungsgesteuerten Versuche mit relativ hohen Frequenz verwendet, was sehr wenig Zeit ergibt um in den entsprechenden Versuchen die zyklische Lebensdauer entweder durch Oxidation oder metallurgische Instabilitäten zu verschlechtern. Mikrostrukturelle Charakterisierung zeigt jedoch, dass die Zeitwirkungen, die beobachtet werden, die Auswirkungen auf die PP-Dehnungsaufteilung haben müssen, weil diese Aufteilung reine Ermüdung repräsentiert, die insgesamt deutlich empfindlicher auf die Korngrenzenoxidation als CP-Typ sein soll. Somit, wenn PP- Dehnungsaufteilung in Kombination mit CP oder PC auftritt, die Zeitdauerauswirkung auf die PP- Dehnungsaufteilung ist nicht nur nicht zu vernachlässigen, sondern auch als maßgebende Faktor zu berücksichtigen.
Verfahren, dass die beide vollständig berücksichtigt: Oxidationseffekte und Komponentenlastabläufe (unter Verwendung von entsprechenden Korrekturfaktoren α und p) ist in BRITE P-1209 Projekt aufgestellt und durch die Tests verifiziert:
-
Um die Effekten der durch die Oxidation, die von außen längs der Korngrenzen penetriert, versprödeten
oberflächlichen Schichten auf die Rissbildung zu berücksichtigen, führten wir eine Korrektion in die
Dehnungsbereichsaufteilung- (Strain Range Partitioning) Methode, die dann für den Fall der
Zugrelaxationshaltezeiten durch die Beziehung bestimmt wird:
Beachte, dass sich die Korrektur ausschließlich auf die Reduktion der Ermüdungslebensdauer,
bzw. Rissentstehung an den Oberflächen bezieht. Herein kann der Korrekturfaktor (α) durch die
exponentielle Beziehung bekannt als Arrhenius-Formel, die die Abhängigkeit von der Temperatur und Zeit typischerweise
berücksichtigt, dargestellt werden
-
Auf diese Weise, ähnlich wie bei reiner Ermüdung wird auf diese Weise die Entwicklung der Schädigung an der kritischen Stelle bestimmt, wobei aber der Begriff der sogenannten Rissentstehung unpassend wäre. In den Versuchen wurde festgestellt, dass die Kriechgeschwindigkeiten während der Haltezeit, nach der Periode des stabilen (konstant, bzw. „steady-state“) Wachstums, einen überlinearen Charakter aufnehmen, die zu schnellem Versagen der Proben führt, was eine Folge der Kriechschädigung (Porenbildung) in dem Ganzen Volumen ist. Zur Unterscheidung wurde diese Phase, bei welchen neben der Entstehung der Anrisse an der versprödeten Oberfläche gleichzeitig auch die Schädigungen in ganzem Materialvolumen stattfinden, mehr allgemeinen als Schadensinkubation gekennzeichnet.
-
In der Praxis in dem kritischen Bereich (Kerbgrund oder ähnlich) treten unter Kriech-Ermüdungs-Belastung aufgrund der unelastischen Verformungen erheblichen Spannungsumverteilungen, und dies ändert die Spannungd-Dehnungs Abläufe aus, die auf der Grundlage der linearen Spannung-Dehnungs-Analyse erwartet werden köntenann. Klar, dass die entsprechenden Bedingungen durch nicht lineare Strukturanalyse (Visko-plastisch) genauer ausgewertet werden können - dies kann jedoch sehr teuer sein. Aus diesem Grund wird, insbesondere zwecks der Auslegung von Komponenten, ein Näherungsverfahren zur Vorhersage von unelastischen Spannungs-Dehnungs-Verläufe verwendet.
-
Wenn man der Spannungs-Dehnungs-Verlauf nach diesbezüglich oft verwendete Neuber Hyperbelapproximation mit derjenigen in dem typischen Kriech-Ermüdungs-Test mit Haltezeit bei konstanter Dehnung vergleicht, ist es offensichtlich, dass die letzte das geschehen am Kerbgrund nicht repräsentiert. Auf der anderen Seite, wie Abbildung andeutet, die Ergebnisse, die durch die Anwendung der Neuber-Approximation erhalten werden, können zu konservativ sein.
-
Die obigen Ausführungen zeigen, dass eine
andere Testfolge und die Grundlage der Annäherung erforderlich werden, die auf die Bedingungen der Kriech-Ermüdung
besser angepasst werden können. Aus diesem Grund haben wir eine "generalisierte" Neuber Hyperbel Gleichung mit einem
variablen Exponenten "n" eingeführt:
Dies ermöglicht sehr unterschiedlichen
Beanspruchungsabläufe durch Veränderung des n-Wertes zwischen 0 (konstante Spannung) und ∞ (konstante Dehnung) zu berücksichtigen.
-
Auch die Restlebensdauer nach der Schadensinkubation wird stark vermindert, weil bei der weit vorgeschrittenen
Kriechschädigungen im Balg des Materials (Porenbildung auf den Korngrenzen) auch der anschließende Rissfortschritt
sehr stark beschleunigt wird.
-
Die einfache Akkumulation der Ermüdungs- und Kriechanteile der Schädigung (ohne ihrer gegenseitigen Einwirkung) kann diese zusammengesetzten Effekte stark unterschätzen. Falls treffend erfasst, sollte auch die Möglichkeit ergeben, die Effekte bei der Auslegung zu beeinflussen.
Verifikation der Methode
Vorgeschlagene Methode wurde mithilfe eigener experimenteller Untersuchungen und den Untersuchungsergebnissen aus der Literatur, die sich auf die Bedingungen mit Haltezeit im Zugbereich mit dem gleichen Werkstoff (IN 800H)
beziehen, verifiziert. Auf diese Weise wurden auch die zahlreichen Einflüsse der Werkstoffchargen, Wärmebehandlung und Testbedingungen voll einbezogen. Dadurch werden auch die Beträge, die sich auf unzulängliche Berechnungsmethoden beziehen, aus der natürlichen Streuung ausgesondert und damit die Streuung auf die echten zufallartigen Einflüsse reduziert. Der nachfolgende Vergleich zeigt ein
exzellentes Ergebnis sowohl bezüglich der Treffsicherheit der Vorhersagen wie auch bezüglich der Verbesserung der ursprünglichen Methode:
Basierend an den Ergebnissen des Projektes sind mehreren nützlichen Voraussetzungen für die erfolgreiche Anwendung, zwecks des besseren Verständnisses des Verhaltens und der effektiven Konstruktion von Hochtemperaturkomponenten erbracht worden:
Sicherheitsfaktoren die nur noch statistisch erfassbare „natürliche“ Streueng berücksichtigen (und darauf basierend reduziert werden könnten)
-
Um die Unzulänglichkeiten der bisherigen Methoden der Lebensdauervorhersage zu kompensieren werden, wie bereits gezeigt, sogar auch von anerkannten Codes, sehr höhe (Un)sicherheitsmargen eingefordert. Auf diese weise sollen, neben der tatsächlichen Streuungseffekten, auch die nicht berücksichtigte natürlichen Einflüsse gedeckt werden. Dieses Vorgehen ist angesichts ihrer starren Natur in Bezug auf der dynamischen Veränderungen von den maßgebenden Faktoren sehr begrenzt in seiner Nützlichkeit.
Beschleunigten Lebensdauertests
-
Traditionellen Lebensdaueranalysen setzt, bei der Bestimmung der Zeit
bis zum Versagen, die Daten, die unter den normalen Betriebsbedingungen erhalten wurden, um die
Lebensdauereigenschaften des Produktes, Systems oder einzelner Komponente zu quantifizieren. In vielen
Situationen, und aus vielen Gründen, sind derartigen Lebensdauerdaten (bzw. Daten über die Zeit bis
zum Versagen) sehr schwierig, wenn auch gar unmöglich, zu erhalten.
-
Deshalb, um dem zunehmenden Wettbewerb gerecht zu werden,
die Markteinführung neuer Produkte in einer möglichst kürzesten Zeit zu bekommen und die Erwartungen der
Kunden zu befriedigen, sind traditionelle Testmethoden nicht mehr ausreichend.
-
Notwendigkeit das Versagen des Produkts zu studieren, um die Arten des Versagens und die
Lebensdauereigenschaften zu verstehen, haben die praktizierenden Konstrukteure dazu gezwungen Methoden
zu erfinden, um ihre Produkten schneller zum Versagen als unter den Bedingungen des normalen Betriebes
zu bringen. Mit anderen Worten, sie haben versucht, ihr Versagen zu beschleunigen. Im Laufe der Jahre
wurde der Begriff - Beschleunigte Lebensdauertest verwendet worden, um alle diese Praktiken
zu beschreiben.
-
Basierend auf dem Zeit-Temperatur- Substitution -Faktor (ZTSF) kann diese Art von Lebensdauer-Managements
erfolgreich angewendet werden. Das nachfolgende Diagramm zeigt, dass bei dem gleichen inelastischen
Dehnungsausschlag, eine Erhöhung der Temperatur um 60 °C die Reduzierung der Prüfdauer, von 10000 auf
nur 1000 Stunden ermöglicht. Wenn die Anzahl der Zyklen dabei unverändert bleiben soll, sollte die
Haltezeit entsprechend gekürzt werden. Das Verfahren kann dazu beitragen, das Ausmaß experimentellen
Anstrengungen bei der Auslegung von Komponenten für den Betrieb unter Kriech-Ermüdung und deren
Optimierung und effiziente Neugestaltung zu reduzieren.
