Skip to main content

Entwicklung eines Kurzzeitverfahrens zur Bewertung schadensrelevanter Parameter von in der Kerntechnik eingesetzten ferritischen Werkstoffen und Bauteilen „EKusaP“

Das Gesamtziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer Möglichkeit zur vereinfachten Bereitstellung von Ermüdungsdaten, die sowohl für spannungs- als auch für dehnungskontrollierte Beanspruchungssituationen genutzt werden können. Zudem soll es möglich werden, oberflächennahe Eigenspannungen sowie Rauheitswerte in der Datenbasis individuell zu berücksichtigen. Da die Ermittlung von Eigenspannungen mittels Röntgendiffraktometrie und die Analyse der Oberflächenrauheit zumeist nur über eine zerstörende Präparation der Bauteile realisiert werden kann, sollen hier indirekte Verfahren genutzt werden.

Zur Umsetzung im Rahmen dieses Projektes wird ein µmagnetic Messsystem eingesetzt. Hierzu werden Messungen an dem Stahl 20MnMoNi5-5 in einem einsatzrelevanten Wärmebehandlungszustand an Ermüdungsproben durchgeführt, bei denen die Eigenspannungen konventionell über ein Röntgendiffraktometer ermittelt und darüber die Ergebnisse des µmagnetic Messsystems kalibriert werden. Die Oberflächenrauheit wird an einem Konfokalmikroskop sowie an einem taktilen Tastschnittsystem erfasst. Die Ermüdungsdaten werden spannungskontrolliert ermittelt und über das Lebensdauerberechnungsverfahren StressLife für die Erstellung von Wöhlerkurven genutzt. StressLife bietet hierbei den Vorteil, dass die Lebensdauerberechnung auf Basis der Werkstoffreaktion erfolgt und stellt somit eine Basis bereit, anhand der auch spannungs- und dehnungskontrollierte Versuche miteinander verglichen werden können.

Die Erreichbarkeit dieser Ziele soll im Rahmen des Forschungsvorhabens beispielhaft aufgezeigt werden und kann bei Erfolg eine deutliche weiterführende Breitenwirkung in der Anwendung finden.

Im ersten Schritt wird der Stahl 20MnMoNi5-5 beschafft, wärmebehandelt und anschließend einer umfänglichen Werkstoffcharakterisierung unterzogen. Parallel werden Schneidplatten für die spanende Bearbeitung mittels Schleifen, Trennen und Polieren modifiziert, um darüber während des Fertigungsprozesses gezielt unterschiedliche Oberflächenzustände einzustellen. Es sollen 5 Oberflächenvarianten entwickelt werden, die mittels Konfokalmikroskopie, Perthometer und Röntgendiffraktometrie charakterisiert werden. Anschließend werden spannungskontrolliert zuerst Versuche bei Raumtemperatur, später bei erhöhten Temperaturen (240°C und 340°C) durchgeführt. Das Ermüdungsverhalten wird mittels Dehnungs-, Temperatur- (nur RT), elektrischer Widerstands- sowie µmagnetischer Messverfahren (nur RT oder in lastfreien Haltezeiten) in Laststeigerungs- und Einstufenversuchen charakterisiert. Die Ermüdungsversuche erfolgen nach der StressLife-Methode, welche im Rahmen dieses Forschungsprojektes unter Einbeziehung von die Probenoberfläche beschreibenden Parametern grundlegend weiterentwickelt und für die Anwendung bei erhöhten Temperaturen ertüchtigt werden soll.

Diese Vorgehensweise eröffnet vollkommen neue Prüf- und Bewertungspotentiale, die eine umfangreiche Datenbasis für die Restlebensdauerbewertung kerntechnischer Anlagen bereitstellen können.