DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Zerstörungsfreie Prüfung von Materialversprödung durch thermische Alterung, Neutronenversprödung und Ermüdung von Feinkornbaustählen

Gerd DOBMANN
Fraunhofer-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:
Werkstoffversprödung, thermische Alterung, Neutronenversprödung, Ermüdung, Mikromagnetische Prüfung, Wirbelstrom, Barkhausen Rauschen, Überlagerungspermeabilität, Tangentialfeldstärke, Thermographie, Positronenannihilation, Akustomikroskopie.

1. ZfP zur Charakterisierung von thermischer Alterung

1.1 Einleitung
Manche Werkstoffe neigen, wenn sie bei erhöhten Temperaturen eingesetzt werden, zur Versprödung. Ein solcher Werkstoff ist z.B. der höherfeste Stahl WB36 (15 NiCuMoNb 5, entsprechend der Werkstoffnummer nach DIN 1.6368). Der Cu-haltige Stahl (nominal 0,65Gew.%) kommt vor allem als Rohrleitungswerkstoff in konventionellen Kraftwerken bei Temperaturen oberhalb von 300°C zur Anwendung. Einige Schäden sind an Rohrleitungssystemen nach Langzeitbetrieb zwischen 90000h und 150000h im Zeitraum 1987 bis 1992 beobachtet worden [1]. Das im Stahl vorhandene Kupfer liegt im Anlieferungszustand zu 50% ausgeschieden vor und ist mit den weiteren 50% noch im Mischkristall zwangsgelöst. Durch den Betrieb bei erhöhter Temperatur kommt es zur Kupfernachausscheidung. Die sich bildenden Cu-Ausscheidungen mit Durchmessern um die 2nm, die bei dieser Größe kohärent zu dem krz-Fe-Gitter vorliegen sind verantwortlich für eine Streckgrenzenerhöhung von Dsy = 150MPa und einer Verschiebung der Sprödbruchübergangstemperatur [2] von DFATT = 70°C, also einer Versprödung. Auch bei der Ermüdungsfestigkeit werden kleinere Werte als im Anlieferungszustand festgestellt.

1.2 Probenmaterial, Prüfverfahren
Zum Einsatz kam WB36 Material der Schmelze E2, das bis zu 3000h bei 400°C ausgelagert wurde. Während Versuchunterbrechungen wurde das Probenmaterial (6mm Rundzylinder) mit ZFP-Verfahren untersucht. Zur Anwendung kam das 3MA-Prüfkonzept, das sich auf die Ermittlung des Barkhausen Rauschens, der Überlagerungspermeabilität und der tangentialen magnetischen Feldstärke abstützt [3].

1.3 ZFP-Ergebnisse, Diskussion
Bestimmt man die magnetische Koerzitivfeldstärke aus der harmonischen Analyse des Zeitsignals der magnetischen Tangentialfeldstärke [4], so findet man eine fast 1:1-Korrelation zur Entwicklung der mechanischen Härte in dem Probenmaterial als Funktion der Auslagerungszeit. Abbildung 1 zeigt die Verhältnisse.


Abb 1: WB36 ausgelagert bei 400°C, Härteverlauf und Koerzitivfeldstärke.

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.


Abb 2: 3MA-Korrelation mit dem Härteverlauf der bei 400°C ausgelagerten WB36 Proben.

Das Kalibrierergebnis wird dabei an statistisch unabhängig gewählten Proben getestet.

2. ZFP zur Charakterisierung von Neutronenversprödung

2.1 Einleitung
Die ferritisch-bainitischen Stähle der Druckbehälter in den Kernkraftwerken weltweit erleiden neben der LCF-Ermüdung durch das Anfahren und Abfahren der Kraftwerke zusätzlich eine Materialbelastung durch Neutronenversprödung. Charakterisiert man diese Versprödung z.B. in der Verschiebung der Sprödbruchübergangstemperatur so stellt man nach 14 Jahren Auslagerung je nach Stahlqualität und Neutronenfluenz z.B. eine Verschiebung in der Größenordnung von ~ 50°C bis zu einigen 100°C fest. Gleichzeitig kann die Kerbschlagarbeit in der Hochlage in der Größenordnung 40J-80J abnehmen

2.2 Material, Probensätze
Das Material wurde in einem EURATOM Forschungsprojekt [5] von Teilnehmern aus verschiedenen Ländern bereitgestellt. Es handelte sich grundsätzlich um Druckbehälterstähle der dort betriebenen Kernkraftwerke und war repräsentiert durch Einhängeproben aus den nationalen Überwachungsprogrammen. Diese Überwachungsprogramme haben das Ziel, durch Einhängen von Originalproben des aktuellen Reaktordruckbehälterbaustahls diesen Werkstoff höheren Neutronenfluenzen auszusetzen als die reale Druckbehälterwand. Die Einhängeproben eilen damit in ihrem Versprödungszustand dem eigentlichen Behälter voraus. Von Zeit zu Zeit werden Proben aus dem Betrahlungskanal des Druckbehälters entnommen und zerstörend im Kerbschlagarbeitsversuch oder Zugversuch in der heißen Zelle getestet. Die hier dargestellten Ergebnisse beziehen sich sämtlich auf Probenhälften nach Durchführung des zerstörenden Kerbschlagarbeitsversuches an Charpy-Proben mit ISO-V-Kerbe. Tabelle 1 gibt eine Übersicht über das Material und die verantwortlichen Stellen in dem EURATOM-Programm und zeigt auch die zerstörend ermittelten Materialkenngrößen. Festzustellen ist dabei auch die relativ große Streuung, z. B. bei den Werten der Hochlage der Kerbschlagarbeit.

Anlieferer Ursprung/Bezeichnung Fluenz in 1MEV 1019n/cm2 Charpy Test Hochlage in J Übergangstemperatur T09 in °C
EDF Frankreich Chinon B1 0   -32.0
    1.74 44.0   22.8 -10.0
    3.03 16.1   11.1 7
    4.65 17.9   0.58 13.0
    6.64 0.9   0.36 21.0
EDF Frankreich Dampierre M3      
    0   -26.0
    1.74   -10.0
    3.74   0.0
    5.36   20.0
    7.56   31.0
Deutschland JRQ      
    0 192.3 -8.6
    0.72 153.3 103.4
    5.61 135.8 171.9
    9.58 119 240.4
Deutschland JFL      
    0 211.4 -45.9
    0.62 206.8 -21.7
    4.41 196.1 15.8
    7.98 195.5 45.5
Tabelle 1: Verwendetes bestrahltes Druckbehältermaterial.

2.3 ZFP-Ergebnisse, Diskussion
Zur Anwendung kam auch hier die 3MA-Methode. Da jeder Materialversprödungszustand mit jeweils zwei unabhängigen Probenhälften des Charpy-Versuches vorlagen, wurden die mikromagnetischen Prüfgrößen mit der willkürlich gewählten einen Hälfte des Probensatzes kalibriert und mit der dazu stochastisch unabhängigen anderen Hälfte des Probensatzes gestestet.

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.


Abb 3: Multiple-lineare Regression zur Vorhersage der Neutronenversprödung des Reaktordruckbehälters des französischen Kernkraftwerkes Dampierre 1 an Hand von Einhängeproben unter Nutzung des 3MA-Verfahrens.

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.


Abb 4: Multiple lineare Regression an bestrahlten Proben aus deutschen und französischen Kernkraftwerken, Vorhersage der T09-Übergangstemperatur unter Nutzung der 3MA-Methode.

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 Ermüdungsschäden

3.1 Einleitung
Kraftwerkskomponenten erleiden durch An- und Abfahrvorgänge eine Ermüdungsbelastung im LCF (Low Cycle Fatigue) Bereich. Bei Rohrleitungen aus austenitischen Stählen kann dabei die Besonderheit auftreten, dass der Werkstoff eine Phasentransformation erfährt, bei welcher die kfz Austenitphase lokal in die krz a'-Martensitphase umgewandelt wird (Kaltverformungsmartensit). Da diese Martensitphase ferromagnetisch ist, liegt es nahe, die Möglichkeit zu untersuchen, die ferromagnetische Eigenschaft auszunutzen und über ihren Nachweis die lokale Ermüdungsschädigung nachzuweisen.

3.2 Material, Probensätze
Tabelle 2 beinhaltet eine Übersicht über die in dem schon genannten EURATOM Projekt untersuchten Probensätze. Es kamen zwei Klassen von austenitischen Stählen zur Anwendung. Zum einen ist dies der Stahl AISI 304, entsprechend DIN 1.4401. Dabei handelt es sich um einen CrNi188 Typ Austenit. Sie sind in Europa vor allem in französischen und schwedischen Siedewassereaktoren nach dem Design von General Electric im Einsatz. Zum anderen sind es die Stahlqualitäten AISI 321 (nach DIN 1.4541) und AISI 347 (nach DIN 1.4550), beides höherlegierte Stähle vom CrNiTi/Nb 1810 Typ. Die beiden letzteren sind in Kraftwerken vom Siede- und Druckwassertyp nach Siemens Design im Einsatz.

Proben-satz Stahl Materialbedin-gungen Ermüdungs-frequenz in Hz Dehnungs-verhältnis R Totaldeh-nung Prüftem-peratur in °C Nutzungsfaktor N/Nf Zahl der Testkörper/ Nutzungfaktor
EDF AISI 304L Anlieferungs zustand 1 -1 ± 0.4 20 0.0 0.6 0.8 1 3
Anlieferungs-zustand 1 -1 ± 0.4 300     0.8 1 2-3
kaltverformt 1 -1 ± 0.4 20 0.0 0.6 0.8 1 3
kaltverformt 1 -1 ± 0.4 300   0.6 0.8 1 3
PSI AISI 321 Anlieferungs-zustand 1 -1 ± 0.4 20 0.0 0.6 0.8 1 4-6
SPG AISI 321 Anlieferungs-zustand 1 -1 ± 0.4 300   0.6 0.8 1 4
Anlieferungs-zustand 1 0 ± 0.4 20   0.6 0.8 1 3-4
FANP AISI 347 Anlieferungs-zustand 1 -1 ± 0.4 20 00 0.6 0.8 1 4
Tabelle 2: Parametervariation bei den LCF-Experimenten.

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.

EDF Anlieferung 20°C 5550<N<9570 Mittelwert Nf = 9320
Anlieferung 300°C 11860<N<15800 Mittelwert Nf = 14820
kaltverformt 20°C 7620<N<13490 Mittelwert Nf =12700
kaltverformt 300°C 8470<N<14410 Mittelwert Nf =14120
PSI Anlieferung 20°C 6060<N<11170 Mittelwert Nf =10109
PSG Anlieferung 300°C 7177 Mittelwert Nf =11962
Anlieferung 20°C, R=0 7066<N<12529 Mittelwert Nf =11777
FANP Anlieferung 20°C 6094<N<11009 Mittelwert Nf =10156
Tabelle 3: Lastwechselzahlen für die unterschiedlichen Nutzungsfaktoren.

3.3 ZFP-Ergebnisse, Diskussion
Die Probensätze wurden mit den 3MA-Verfahren vermessen. Zusätzlich wurde unter Nutzung von Giant Magnetic Resistors, GMR, [6] eine Wirbelstrom-Transferimpedanz gemessen. Dabei wurden die ermüdeten Proben im mittleren Bereich ihrer Messlänge von einem Jocherreger mit eingeprägter Stromquelle magnetisiert und mit einem kommerziell verfügbaren GMR-Microchip in Wheatston-Brückenschaltung sehr empfindlich die Antwort des Werkstoffes erfasst. Da die Ermüdungsschäden in austenitischen Stählen sehr lokalisiert auftreten, wurde der Jocherreger und der GMR-Sensor relativ zur Ermüdungsprobe fixiert und die Probe für Winkelinkremente von 40° unter dem Sensor mittels eines Manipulators durchgedreht. Abbildung 5 zeigt eine so erzeugte Amplitudenortskurve für drei vollständige Umdrehungen. Damit wird einerseits die Reproduzierbarkeit der Messung demonstriert und andererseits das lokalisierte und inhomogene Auftreten der Ermüdung über den Probenumfang.


Abb 5: Wirbelstrom-GMR Transfer-Impedanz entlang eine Umfangsspur im mittleren Bereich der Messlänge der Ermüdungsprobe.

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.


Abb 6: Vergleich der eigenen GMR-Ergebnisse mit den vom PSI bestimmten Martensit.

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.


Abb 7: Martensitgehaltbestimmung mittels 3MA verglichen mit den PS-ErgebnissenI.

4. Folgerungen

Mikromagnetische 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

  1. I. Altpeter, G. Dobmann: NDE of material degradation and fatigue, invited paper in the Conference 'Review of Progress in Quantitative NDE', held in Bellingham, Washington, USA, July 14-19, 2002, Proceedings to be published.
  2. ISO/CD 14556
  3. I. Altpeter, R. Becker, G. Dobmann, R. Kern, W. Theiner and A. Yashan: Robust solutions of inverse problems in electromagnetic non-destructive evaluation, Inverse Problems 18 (2002) 1-15, Institute of Physics Publishing.
  4. Dobmann, H. Pitsch: Magnetic tangential field strength inspection a further ndt-tool for 3MA, in Nondestructive Characterization of Materials III, P. Höller, V. Hauk, G. Dobmann, C. Ruud, R. Green, Eds.(Springer-Verlag, Berlin, 1989), p. 636.
  5. GRETE, Evaluation of NDT techniques for monitoring of material degradation, EURATOM programme, FIS5-1999-00280.
  6. G. Dobmann, I. Altpeter, R. Becker, M. Lang, R. Kern, A. Yashan and W. Theiner: Electromagnetic and micro-magnetic non-destructive characterization (NDC) for material mechanical property determination and prediction in steel industry and in lifetime extension strategies of NPP steel components, International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics 15 (2001/2002) 269-274.
  7. N. Meyendorf, B. Somiesky, R. Krause, I. Altpeter and M. Gessner: Characterization of microstructure of plastically deformed and thermally treated carbon steel by means of positron annihilation life-time- spectroscopy In compareson with micro-magnetic methods, Material Science Forum Vols. 210-213 (1996) pp. 727-734.

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