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Bewertung und Modellierung des Verformungs- und Spannungsrelaxationsverhaltens warmfester Nickelbasislegierungen unter isothermen und transienten Beanspruchungen

Hahn, Paul (2018):
Bewertung und Modellierung des Verformungs- und Spannungsrelaxationsverhaltens warmfester Nickelbasislegierungen unter isothermen und transienten Beanspruchungen.
Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Bewertung und Modellierung des Verformungs- und Spannungsrelaxationsverhaltens warmfester Nickelbasislegierungen unter isothermen und transienten Beanspruchungen
Language: German
Abstract:

Aktuelle und zukünftige Herausforderungen bei der Bewertung und Auslegung von Schrauben- und Flanschverbindungen bei erhöhten Temperaturen erfordern ein umfassendes Verständnis auftretender Verformungs- und Spannungsrelaxationsvorgänge. Das isotherme Werkstoffverhalten wurde in den vergangenen Jahrzehnten bereits umfangreich untersucht. Infolge der Forderung nach einer höheren Anlagenflexibilität fossil befeuerter Kraftwerksanlagen ändert sich hier das Beanspruchungsprofil jedoch grundlegend und transiente Beanspruchungen gewinnen zunehmend an Bedeutung. Diese Arbeit soll daher einen Beitrag zum verbesserten Verständnis des isothermen und vor allem transienten Verformungs- und Relaxationsverhaltens der für Hochtemperatur-Schraubenverbindungen eingesetzten Nickelbasislegierungen Nimonic 80A und Nimonic 101 leisten. Zudem gilt es robuste Werkstoffmodelle zu entwickeln, mit deren Hilfe mögliche Schäden frühzeitig erkannt und Konservativitäten, die derzeit noch existierende Unsicherheiten abdecken, bereits bei der Auslegung abgebaut werden können.

Zentraler Ansatz der vorliegenden Arbeit bildet das Prinzip der Superposition relevanter Dehnungsanteile zur Berechnung der permanenten Verformung. Letztere ermöglicht zusätzlich die Modellierung der Spannungsrelaxation. Die dafür notwendige Datenbasis wurde mithilfe isothermer Warmzug-, Kriech- und Glühversuche erzeugt. In dem Zusammenhang wurden zudem die mikrostrukturellen Ursachen der Volumenkontraktion betrachtet. Des Weiteren wurden anhand von Spannungsrelaxationsversuchen die maßgeblich beitragenden Verformungsmechanismen diskutiert.

Kriech- und Relaxationsversuche mit transienter Temperaturführung am Nimonic 80A haben gezeigt, dass es weder zu einer Beschleunigung noch zu einer Verzögerung der Kriechdehnung bzw. der Spannungsrelaxation kommt. Im Gegensatz dazu weist der Nimonic 101 tendenziell eine Beschleunigung der Kriechverformung infolge zyklischer Temperaturwechsel auf. Der Stabilitätsbereich der mikrostrukturellen Ursachen der Volumenkontraktion wurde mit Hilfe von DSC- und TMA-Messungen eingegrenzt.

Basierend auf der Datenbasis wurden anschließend die Parameter phänomenologischer Werkstoffmodelle zur Beschreibung des elastisch-plastischen, des Volumenkontraktions- und des Kriechverhaltens identifiziert. Neben der Norton-Bailey-Gleichung wurde der leistungsfähige und industriell erprobte, modifizierte Garofalo-Ansatz zur Modellierung der Kriechverformung herangezogen. Im Zuge dessen konnte zudem eine implizite Formulierung der modifizierten Garofalo-Kriechgleichung entwickelt werden, welche eine verbesserte numerische Robustheit und Potenzial zur Verkürzung von Rechenzeiten aufweist.

Anschließend wurde die Methode der Superposition der Dehnungsanteile sowie deren phänomenologische Beschreibungen erfolgreich anhand numerischer Nachrechnungen der isothermen und transienten Kriech- und Relaxationsversuche validiert. Erwartungsgemäß erhöht die zunehmende Komplexität der Modelle und die konsistente Beschreibung der Temperatur- und Spannungsabhängigkeiten die Vorhersagegenauigkeit. Die FE-Simulation bauteilnaher Schraubenverbindungsmodelle mit Dehnhülse und eine Sensitivitätsbewertung wesentlicher Beanspruchungsgrößen, Werkstoffeigenschaften und Modellparameter vermittelten zudem einen Eindruck über Potenziale und Unsicherheiten der Modelle bei anwendungsrelevanten Fragestellungen.

Diese Forschungsarbeit liefert somit wertvolle Erkenntnisse zu den Auswirkungen transienter Beanspruchungen auf das Verformungs- und Spannungsrelaxationsverhalten. Des Weiteren stehen nun Werkstoffmodelle und Parametersätze für eine zukünftige robuste numerische Simulation von Bauteilen und Komponenten zur Verfügung.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Current and future challenges in the design and dimensioning of new as well as in the assessment of operating high-temperature bolt connections require a comprehensive knowledge of deformation processes and stress relaxation. The isothermal material behavior is widely understood. However, in the last years, transient loading conditions become more important for fossil-fired power plants, forced by the increasing number of start-ups and shutdowns. Thus, a better understanding of the basic material behavior and robust non-isothermal material models are required to enable a precise prediction of material deformation and stress relaxation. In order to meet this demand, the significant strain portions occurring at elevated temperatures were discussed and experimentally characterized. In this research work, the nickel-base alloys Nimonic 80A and Nimonic 101 were examined in a temperature range from 450 to 700 °C. It was figured out that, beside elastic-plastic and creep deformations, the ’negative creep’ also referred to as volume contraction has to be taken into account. In contrast, the influence of anelasticity can be regarded as negligible. Further, experiments with transient loading conditions showed neither acceleration nor a deceleration of creep deformation or stress relaxation in the examined temperature and stress range. However, the microstructural reasons of the volume contraction are thermodynamical stable only in a defined temperature range. The critical temperature, where volume contraction decreases, was determined by DSC and TMA investigations. Subsequent, based on the engineering approach of the superposition of relevant strain proportions, temperature-dependent phenomenological equations were developed describing the elastic-plastic, creep and volume contraction behavior. The adjustment of the parameters was based on a wide database of isothermal hot tensile tests, creep, and annealing experiments. Within the context of modeling, a new implicit formulation of the modified Garofalo creep equation was developed, which exhibits numerical implementation advantages. The material models have been successfully validated by FE-simulations of isothermal creep and stress relaxation experiments afterward. So-called ’45° diagrams’ and calculated defective areas between modeled and experimental determined stress relaxation curves showed that an increasing complexity of the creep model enhances the accuracy of the prediction. Furthermore, the recalculation of non-isothermal stress relaxation tests and bolted joint models had demonstrated the capability of the defined material laws in a wide stress range under transient loading conditions. Concluding, a sensitivity analysis of the loading parameters, stress, and temperature, as well as of different material properties and model parameters made an estimation of uncertainties possible. The findings of the current work contribute to a better understanding of how transient loading conditions influence the deformation and stress relaxation behavior of nickel-base alloys. Furthermore, material models are now available, which enable a numerically robust and precise simulation in the future.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
Date Deposited: 28 Sep 2018 06:51
Last Modified: 28 Sep 2018 06:51
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-80576
Referees: Oechsner, Prof. Matthias and Mayr, Prof. Peter
Refereed: 12 June 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8057
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