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| DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003 ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung | |||
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Zerstörungsfreie Prüfung von Materialversprödung durch thermische Alterung, Neutronenversprödung und Ermüdung von FeinkornbaustählenGerd DOBMANNFraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren, IZFP, Universität Gebäude 37, 66123 Saarbrücken Kontakt: Dobmann Gerd Dr.rer.nat. Kurzfassung:Jeder Werkstofffachmann weiß, spröde Werkstoffe versagen schlagartig - wenn Anrissbildung vorliegt - schon bei kleinen mechanischen Lasten. Demgegenüber hat ein duktiler Werkstoff das Potential die Spannungsintensität an einem Anriss durch duktile Risserweiterung gefolgt von Risstop abzubauen. Dieses Phänomen gilt zunächst für statische Lasten. Bei Ermüdungsphänomenen werden - abhängig vom Werkstoffzustand - sowohl Verfestigung als auch Entfestigung beobachtet, oder sogar beides nacheinander. Ursprünglich duktile Werkstoffe können bei entsprechender Auslagerung im Betrieb verspröden. Ihr Einsatz muss daher prinzipiell gegen solche Versprödungen abgesichert werden. Die Komponentenauslegung berücksichtigt die mögliche Versprödung durch Werkstoffauswahl, Begrenzung der Last und Eigenspannungen und durch zusätzliche Sicherheitsfaktoren. Wie auch immer, ergibt sich dadurch eine vorgegebene Designlebensdauer, bei deren Erreichen die Integrität einer Komponente, die einer Versprödung ausgesetzt ist, prinzipiell evaluiert werden muss. Wegen den genannten Sicherheitsfaktoren existieren im Allgemeinen Reserven, die für eine Lebensdauerverlängerung genutzt werden können. Natürlich kann eine solche Lebensdauerverlängerung nur auf der Basis von abgesicherten Konzepten erfolgen. Sie setzen neben dem Wissen über die tatsächlich herrschenden Betriebsbelastungen auch das Wissen über die Degradation der mechanischen Werkstoffeigenschaften voraus, also das Wissen über das Ausmaß der möglichen Versprödung, Verfestigung und Entfestigung. Von allen Versprödungsphänomenen sind thermische Versprödungen und die Neutronenversprödung besondere, die Lebensdauer begrenzende, Erscheinungsformen. Die Werkstoff- und Sicherheitstechnik bedient sich üblicherweise so genannter Überwachungsprogramme mit Einhängeproben, die bei erhöhter Belastung ausgelagert der Komponente zeitlich vorauslaufen. Zerstörend im Standardzugversuch, bzw. Kerbschlagarbeitsversuch geprüft, liefern sie üblicherweise verlässliche Daten über den Versprödungszustand. Repräsentatives Probenmaterial ist jedoch nur in begrenztem Umfang vorhanden, so dass bei zunehmend verlängerter Lebensdauer von Komponenten Engpässe entstehen. Umso wünschenswerter ist eine zerstörungsfreie Beurteilung des Versprödungszustandes an der Einhängeprobe, die wieder verwendet werden kann. Werkstoffe versagen bei zyklischer Belastung grundsätzlich durch makroskopische Rissbildung am Ende ihres Lebens. Je nach Werkstoffzustand und Belastung sind jedoch die Zeiten bis zum ersten Anriss und von da aus bis zum Versagen unterschiedlich lang. Neben der zerstörungsfreien Beobachtung der Anrissbildung und des Risswachstums ist daher auch das zeitliche Vorfeld der Werkstoffzustandsveränderung von zunehmendem Interesse. Der Beitrag beschreibt Ergebnisse, die in einem Europäischen Gemeinschaftsvorhaben und in nationalen Forschungsprogrammen an Feinkornbaustählen des Rohrleitungs- und Druckbehälterbaus sowohl an ferritischen als auch austenitischen Stählen - gewonnen werden konnten. Neben mikromagnetischen Methoden kamen auch thermische Verfahren, die Positronenannihilation und die akustische Mikroskopie zur Analyse der Werkstoffzustände zum Einsatz. Schlagworte: 1. ZfP zur Charakterisierung von thermischer Alterung1.1 Einleitung 1.2 Probenmaterial, Prüfverfahren 1.3 ZFP-Ergebnisse, Diskussion
Vom Ausgangszustand mit einer Härte nach Vickers (HV10) von 193 steigt die Härte kontinuierlich an, um mit 237 HV10 bei etwa 1000h Auslagerungszeit ein Maximum zu durchlaufen. Das Härtemaximum ist mit dem Auftreten der 2nm großen Cu-Ausscheidungen verknüpft, das anschließende Abfallen der Härte kommt durch zunehmendes Wachsen von größeren Ausscheidungen zu Ungunsten der kleinen zustande und wird als Ostwald-Reifung bezeichnet. Die Koerzitivfeldstärke folgt diesem Verhalten. Verknüpft man mehr als eine der 3MA-Prüfgrößen in multilinearer Regression mit dem Härteverlauf, so erreicht man bei der Kalibrierung des Modells ein Bestimmtheitsmaß von R2= 0,97 bei einem Residualfehler von 5HV10. Abbildung 2 dokumentiert die Ergebnisse.
Das Kalibrierergebnis wird dabei an statistisch unabhängig gewählten Proben getestet. 2. ZFP zur Charakterisierung von Neutronenversprödung2.1 Einleitung 2.2 Material, Probensätze
2.3 ZFP-Ergebnisse, Diskussion Abbildung 3 zeigt beispielsweise das Kalibrierergebnis an dem Probensatz des Kernkraftwerkes Dampierre in Frankreich. Man erreicht bei der multiplen Regression der 3MA-Prüfgrößen zur Neutronenfluenz und damit zur Versprödung einen Regressionskoeffizienten von R=0,95 bei einem Residualfehler (Standard Error)von 0,95´1019 n/cm2. Wird dieses - im Sinne der Statistik - als gut zu bezeichnende Modell mit den statistisch unabhängig gewählten Testproben gestestet, so erkennt man zum Teil größere Abweichungen vom Soll als ± dem Wert des Standardfehlers. Die Ursache dafür liegt im zerstörenden Charpy-Versuch. Obwohl darauf geachtet wurde, dass nur solche Proben zur Prüfung kamen, die im Kerbschlagversuch bei negativen Temperaturen geschlagen worden waren, waren an den Probenhälften plastische Verformungsspuren feststellbar. Dies betraf stärker die Probenrückseite (Widerlager des Kerbschlaghammers), als die dem V-Kerb zugewandte Probenforderseite, jedoch wurden auch dort Verformungsspuren festgestellt. Mit der plastischen Verformung einher geht das Einbringen von Eigenspannungen. Beide Effekte beeinflussen die Mikromagnetischen Prüfgrößen und sind daher in Bezug auf die Erkennung des Versprödungszustandes als Störgrößen anzusehen.
Wegen der geringen Zahl von Proben in jedem spezifischen Probensatz wurde auch versucht, eine Kalibrierung über sämtliche in Tabelle 1 beschriebenen Proben zu finden. Der Freiheitsgrad für die statistische Methode wird dabei erhöht. Abbildung 4 zeigt das Ergebnis für die Regression zur Vorhersage der Sprödbruchübergangstemperatur.
Betrachtet man zunächst nur das Kalibrierergebnis, so erreicht man einen Regressionskoeffizienten R=0,976 bei einem Standardfehler von 15,65°C. Dieses Ergebnis ist als erstaunlich gut zu bezeichnen, wenn man bedenkt, dass beim Sprödbruchübergang die Kerbschlagarbeitswerte besonders starken statistischen Schwankungen unterworfen sind. Testet man das Vorhersagemodell aber mit unabhängigen Proben, zeigt sich auch hier der schon diskutierte Einfluss der plastischen Verformung und der Eigenspannungen. 3. ZFP zur Früherkennung von Ermüdungsschäden3.1 Einleitung 3.2 Material, Probensätze
Die von der EDF (AISI 304), Frankreich, Siempelkamp, SPG, (AISI 321), Deutschland, Paul Scherrer Institut, PSI, (AISI 321), Schweiz und Framatome ANP , FANP, (AISI 347), Deutschland, bereitgestellten Materialien wurden zu Proben in der Form eines Uhrenglases verarbeitet und im LCF-Versuch bei maximaler Dehnung von 0,4% im dehnungsgesteuerten Experiment ermüdet. Tabelle 2 stellt die Übersicht über die so erzeugten Probensätze dar. Als Besonderheiten sind hervorzuheben, dass EDF den Stahl sowohl im Ausgangszustand als auch kaltverformt eingesetzt hat und beide Probensätze sowohl bei Raumtemperatur, als auch bei 300°C ermüdet wurden. Während sämtliche Partner ihre Experimente mitteldehnungsfrei (R=-1) durchführten, wurde von Siempelkamp auch ein Ermüdungsexperiment unter Zugvorspannung (R=0) gefahren. Abhängig von den Versuchsbedingungen wurde durch jeden Partner der spezifische Nutzungsfaktor N/Nf bestimmt. N bezeichnet dabei die Ermüdungszyklenzahl und Nf die spezielle, bei der der Probenbruch erfolgt. Stähle der vorgegebenen Art zeigen im dehnungsgesteuerten Ermüdungsexperiment bei rekristallisiertem und wärmebehandeltem Ausgangszustand in der registrierten mechanischen Spannung an der Probe ein Verfestigungsverhalten durch Versetzungsneubildung, gefolgt von einer relativ stabilen schwachen Entfestigung (Stabilisierung), bevor die Spannung sa dann progressiv bis zum Bruch abnimmt. Im kaltverfestigten Ausgangszustand entfestigt normalerweise die Probe zu Anfang, um dann in eine Stabilisierungsphase einzumünden. Aus diesem Grund wurde als Kriterium zur Bestimmung von Nf die spezielle Lastwechselzahl in der Stabilisierungsphase gewählt, bei der die Spannung progressiv um 2% abgenommen hat. Dieses Kriterium ließ sich für jeden der Probensätze anwenden, mit Ausnahme des Probensatzes des Paul Scherrer Institutes. Diese Proben zeigten als einzige das Phänomen der Sekundärverfestigung. Ausgehend von dem sanften Abfall der Spannung in der Stabilisierungsphase zeigt der Werkstoff einen Spannungsanstieg, durchläuft ein Maximum, um dann zum Bruch hin zu entfestigen. Das 2% Lastabfallkriterium kann deshalb nicht angewendet werden und Nf wurde daher in diesem Falle auf Nf=8000 festgelegt. Tabelle 2 zeigt eine Übersicht über die Schwankungsbreite der Lastwechselzahlen der unterschiedlichen Probensätze. Dabei wird deutlich, dass die bei erhöhten Temperaturen ermüdeten Proben der EDF die längste Lebensdauer besitzen.
3.3 ZFP-Ergebnisse, Diskussion
Die Besonderheit der stabilisierten Austenite, durch die akkumulierte zyklisch eingebrachte Dehnungsenergie eine Phasentransformation zur a'-Martensitphase zu erleiden wird hierbei deutlich. Wegen seiner hohen Empfindlichkeit ist der GMR-Sensor besonders geeignet diese ferromagnetische Phase nachzuweisen. Darüberhinaus zeigen die Oberflächen der Proben auch vereinzelt Mikrorisse, die ebenfalls eine Wirbelstromwechselwirkung erzeugen. Um bewertbare Ergebnisse zu erhalten wurden daher sämtliche Amplitudenortskurven gemittelt und die Mittelwerte pro Probe weiterverarbeitet. Vom PSI wurde ebenfalls die GMR-Meßtechnik eingesetzt, wobei die Abtastung der Proben mittels mikromechanischer Manipulation um Größenordnungen genauer war. Die GMR-Ergebnisse wurden dann von PSI mit Martensitgehalten kalibriert, die in Neutronendiffraktionsexperimenten ermittelt wurden. Abbildung 6 zeigt die Gegenüberstellung der eigenen GMR-Ergebnisse mit den Ergebnissen des PSI. Es zeigt sich eine klare lineare Zuordnung und eine Abweichung dort wo schon starke Rissbildung vorliegt. Es wird deutlich, dass der PSI-Probensatz, der als einziger von allen Sekundärverfestigung zeigte, auch die höchsten Martensitgehalte aufweist. Der von Framatome ANP ermüdete Probensatz zeigt dagegen nahezu keine Tendenz Martensit zu bilden.
In Abbildung 7 ist die Korrelation der 3MA-Prüfgrößen zum Martensitgehalt aufgezeigt. Mit einem Regressionskoeffizienten von R=0,976 und einem Residualfehler von 0,61% Gehalt an Martensit ist das Ergebnis als besonders gut hervorzuheben. Das Regressionsmodell wurde auch hier mit unabhängig gewählten Testproben erfolgreich gestestet.
4. FolgerungenMikromagnetische Prüfgrößen können empfindlich die durch thermische Versprödung entstehenden Cu-Ausscheidungen im Stahl WB36 nachweisen. Zukünftige Arbeiten konzentrieren sich auf die Erarbeitung von robusten Klassierungsalgorithmen. Es zeigt sich, dass mikromagnetische Verfahren auch geeignet sind Strahlenschäden nachzuweisen und zu quantifizieren. In multipler linearer Regression konnten hinreichend gute Korrelationen zur Neutronenfluenz oder zur Sprödbruchübergangstemperatur erzielt werden. Es zeigt sich jedoch deutlich, dass es sinnvoll ist, die Kalibrierungen an noch nicht geschlagenen Kerbschlagarbeitsproben durchzuführen. Hiermit vermeidet man den störenden Einfluss von plastischer Verformung und Eigenspannungen auf die mikromagnetischen Prüfgrößen. Die Ermüdung von stabilisierten austenitischen Stählen geht oftmals einher mit der Phasenumwandlung in die ferromagnetische a'-Martensitphase. Die Ermüdungsergebnisse zeigen jedoch die Tatsache, dass abhängig von der chemischen Zusammensetzung, ihrer Seigerung im Volumen, der Wärmebehandlung und der Belastung mehr oder weniger Martensit entsteht. Wenn Martensit als ferromagnetische Phase entsteht, dann erhöht er wesentlich den Kontrast zum Nachweis und zur Quantisierung der Ermüdung vor dem Bruch. Grundsätzlich besteht jedoch zwischen Martensitgehalt und Lebensdauer dieser Stähle kein verallgemeinerbarer Zusammenhang. Für jede Komponente die zum Einsatz kommt ist es daher sinnvoll an Referenzproben vor Beginn des Werkstoffeinsatzes, die Empfindlichkeit der ausgewählten Schmelze, auch nach Wärmebehandlung und Schweißen, für Martensitbildung im Ermüdungsversuch zu ermitteln. Ist die Empfindlichkeit gegeben, dann kann der Martensit als intrinsicher Sensor im Material genutzt werden. Die Positronenannihilation [7] wurde ebenso an den Ermüdungsproben eingesetzt. Dabei zeigte sich, dass für Proben mit Lebensdauern > 20% Nutzungsfaktor das auszuwertende Signal, z.B. die Doppler-Verbreiterung der Spektrallinie der Annihilationsenergie, Sättigungscharakter aufweist. Demgegenüber zeigt sich, dass man mittels Thermographie Ermüdungsexperimente in der servo-hydraulischen Maschine gut überwachen kann. Die durch die Ermüdungsschäden im Material dissipierte Wärmeenergie steigt zu Beginn des Experimentes wegen der Versetzungserzeugung stark an um dann kontinuierlich bis zum Bruch abzunehmen. Referenzen
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