Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Ermittlung des intrinsischen Schwellenwerts und dessen Validierung als Werkstoffparameter

Bei der schadenstoleranten Auslegung kann mittels bruchmechanischer Methoden die Restlebensdauer ermittelt und Inspektionsintervalle abgeleitet werden. Diese Vorgehensweise ist Stand der Technik, sofern die Paris-Gerade betroffen ist und keine Lastfolgeeffekte auftreten. In der Praxis werden viele Strukturen auf Lastniveaus beansprucht, die dem Schwellenwertbereich entsprechen. In diesem Bereich kann die ermittelte Restlebensdauer in hohem Maße überschätzt werden, was auf Defizite bei der Ermittlung des Schwellenwerts zurückzuführen ist. Der Schwellenwert Kth besteht aus einem intrinsischen Anteil Kth,eff und einem Rissschließeffekt bedingten Anteil Kth,op, der von vielen Einflussfaktoren abhängt (Kth = Kth,eff + Kth,op).

Die bruchmechanische Analyse wird zweckmäßigerweise auf der Grundlage rissschließkorrigierter Werte für K durchgeführt. Somit wird der intrinsische Schwellenwert Kth,eff maßgebender Parameter der Werkstoffseite. Das hat erhebliche Vorteile, da Kth,eff vermutlich ein echter Werkstoffkennwert ist. Das und die potentielle Korrelation des Kennwertes mit den elastischen Werkstoffeigenschaften sowie Gitterkonstanten ermöglicht nicht nur eine genaue, sondern auch eine einfache und robuste Möglichkeit der Ermittlung der Restlebensdauer.

Schwerpunkte des Projekts sind der Vergleich verschiedener Methoden zur Ermittlung des intrinsischen Schwellenwerts und die Untersuchung des Umgebungseinflusses und der damit in Verbindung stehenden Belastungsfrequenz an einem korrosionsempfindlichen Stahl. Aus den gewonnen Erkenntnissen werden Empfehlungen zur Bestimmung des intrinsischen Schwellenwerts und für die schadenstolerante Auslegung abgeleitet.

Die potentielle Vereinfachung der Restlebensdaueranalyse kommt den Bedürfnissen von KMU entgegen, da deren Ressourcen hinsichtlich der Anwendung innovativer Methoden wie der Bruchmechanik begrenzter sind als die großer Unternehmen. Sie erleichtert zudem inhaltlich die Zusammenarbeit mit externen Dienstleistern.

Ergebniszusammenfassung:

Rissfortschrittsversuche bei R ≈ 0,8 in Laborluft zeigten, dass der intrinsische Schwellenwert ΔKth,eff für beide untersuchten Stähle, S690QL und 26NiCrMoV14-5, unabhängig vom Prüfverfahren ist.

Versuche an S690QL bei R ≈ 0,8 und 90 Hz Prüffrequenz in Laborluft bzw. bei 60 % relativer Feuchte lieferten kleinere Schwellenwerte gegenüber in Argon durchgeführten Versuchen. Dies wird auf durch Korrosion beschleunigtes Risswachstum zurückgeführt. Bei 80 % relativer Luftfeuchte und/oder 55 Hz Prüffrequenz führt Rissschließen zum Abbremsen des Risswachstums und damit höheren Schwellenwerten. Auf Basis der Ergebnisse wird empfohlen Versuche zur Ermittlung von ΔKth,eff unter Laborluft bei Prüffrequenz ≥ 90 Hz durchzuführen.

Bei R = -1 an S690QL durchgeführte Versuche zeigten bei kleinen Prüffrequenzen (60 Hz) aufgrund oxidinduziertem Rissschließen höhere ΔKth als bei 108 Hz (reduziert durch Reibkorrosion). Je kleiner ΔK0 zu Versuchsbeginn, desto kleiner folgt ΔKth. Der Vergleich der CPLR-Daten mit der zyklischen R-Kurve zeigte, dass der unvollständige Aufbau der Rissschließeffekte eine Erklärung dafür ist. Hier wird die Einführung eines Mindestrisswachstums als Voraussetzung zur Ermittlung des Langrissschwellenwerts in den Normen vorgeschlagen.

Untersuchungen der Oxidschichten an S690QL zeigten, dass bei R = 0,8 keine Oxidschichtbildung für beide Stähle messbar war. Jedoch lag die Schichtdicke bei R << 0,8 in der Größenordnung bis mehrere hundert Nanometer.

Die Abschätzung von ΔKth,eff aus E-Modul und Burgersvektor zeigt eine gute Übereinstimmung mit in Laborluft experimentell ermittelten Werten. Dies führt potentiell zu einer großen Vereinfachung für die industrielle Praxis und könnte in Richtlinien eingeführt werden.

Die entwickelte Prozedur zur Berechnung der Lebensdauer unter Anwendung effektiver Rissfortschrittsdaten lieferte eine konservative Prognose für alle untersuchten Fällen und qualifiziert sich damit für die Anwendung in der Praxis.