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VGB PowerTech - All rights reserved - Alle Rechte vorbehalten - © 2017 58 High-temperature behavior under variable loads VGB PowerTech 10 l 2017 Authors Kurzfassung Hochtemperaturwerkstoffverhalten unter zeitlich veränderlicher Beanspruchung Zur Auslegung und Lebensdauerbewertung von Hochtemperaturbauteilen der Kraftwerksin- dustrie werden praxisnahe Werkstoffbeschrei- bungen benötigt. Seit nunmehr etwa vier Jahr- zehnten wird im Rahmen der Forschungsverei- nigung Warmfeste Stähle und Hoch- temperaturwerkstoffe (FVWHT) daher in zwei Forschungsschwerpunkten das Werkstoffver- halten unter zeitlich veränderlicher Beanspru- chung betrachtet. Bei überwiegend elastovisko- ser Verformung bildet veränderliches Zeitstand- verhalten die Grundlage für die Annäherung an diese Fragestellung und die Entwicklung ent- sprechender Konzepte (Projektgruppe W9). Kommen plastische Wechselverformungen hin- zu, ist das Kriechermüdungsverhalten maßgeb- lich, der zweite Forschungsschwerpunkt, wel- cher in der Projektgruppe W10 behandelt wird. In beiden Fällen ermöglichen Experimente un- ter zyklischen Beanspruchungen bis zu mehre- ren 10.000 Stunden Laufzeit unter Einsatz mo- derner Prüfmethoden und -technik die Entwick- lung von Konzepten zum Kriechermüdungs- verhalten zur Bewertung der Lebensdauer ther- misch und mechanisch hochbeanspruchter Bauteile. Die Konzepte zum veränderlichen Zeitstandverhalten basieren auf der modifizier - ten Lebensdaueranteilregel und einem experi- mentell gestützten Faktorenkonzept der relati- ven Lebensdauer. Die verallgemeinerte Scha- densakkumulationshypothese bildet die Grundlage für Konzepte zum Kriechermü- dungsverhalten. Anwenderprogramme bieten vielfältige Möglichkeiten der Analyse und Be- wertung der Lebensdauer unter Berücksichti- gung mehrstufiger Beanspruchungsabläufe auch in Fällen oberflächennaher biaxialer und High-temperature behavior under variable loads – FVWHT Working Groups W9 and W10 Alfred Scholz, Torsten-Ulf Kern, Martin Reigl, Henning Almstedt and Matthias Oechsner Dr.-Ing. Alfred Scholz formerly with Technische Universität Darmstadt, Germany Dr.-Ing. Torsten-Ulf Kern Siemens AG, Muelheim, Germany Dr.-Ing. Martin Reigl GE Electric GmbH, Baden, Switzerland Dipl.-Ing. Henning Almstedt Siemens AG, Muelheim, Germany Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner Technische Universität Darmstadt, Germany Introduction Practical methods for material characteri- zation are needed for the design and ser- vice life assessment of the high-tempera- ture components typically found in the power plant industry. Thus, for almost four decades now, material behavior under var- iable loads has been studied in two areas of research focus within the scope of Working Groups W9 and W10 of the Forschungsver- einigung Warmfeste Stähle und Hochtem- peraturwerkstoffe (FVWHT). In predomi- nantly visco-elastic deformation, variable creep rupture behavior forms the basis for the approach to these aims and the devel- opment of corresponding concepts, pur- sued by Working Group W9. If plastic cyclic deformation is also relevant, then creep- fatigue behavior will be a definitive issue, which comprises the second point of re- search focus, dealt with by Working Group W10. In both cases, experiments with cy- clic loading times of up to tens of thou- sands of hours’ operating time have formed the foundation for the development of con- cepts in creep-fatigue behavior to evaluate the service life of components under high thermal and mechanical loads. The con- cepts relating to variable creep rupture be- havior base on the modified life fraction rule and an experimentally supported fac- tor concept of relative service life. The con- cepts in creep-fatigue behavior arose based on the generalized damage accumulation hypothesis. Software application tools of- fer various possibilities in service life as- sessment under consideration of multi- stage load sequences. They are also appli- cable in cases of near-surface biaxial and anisothermal loading. Historical perspective The working groups were launched with a research proposal initiated by the Arbeits- gemeinschaft für warmfeste Stähle (Ger- man Creep Committee for Heat-resistant Steels). On July 8, 1969, a meeting with representatives from the industry took place at the Institut für Werkstoffkunde (Institute for Materials Technology) (IfW), TH Darmstadt (now TU Darmstadt), with Prof. Dr.-Ing. Heinrich Wiegand presiding. The subject matter to be treated was the influence of variable creep loading on com- ponent damage. At this time, the design of such compo- nents was being carried out under Robin- son’s life fraction rule. After the investiga- tion of a number of instances of component damage, the question arose as to whether this time-honored rule was still relevant in applications of that time. In order to make possible the experimental laboratory simulation of service loading of real components in predominantly visco- elastic deformation, creep rupture tests featuring variable stress and/or tempera- tures were suggested [1, 2, 3 and 4]. The steering committee of the Arbeitsgemein- schaft für Warmfeste Stähle decided at the end of 1969 to bring forward a new re- search proposal on creep rupture behavior under “service-type” loading to clarify this issue, for which the support of the German Federation of Industrial Research Associa- tions (AiF) was secured. The Working Group AiF IV, comprising representatives of the industry, was engaged to accompany this project, making it possible to begin the first experiments as early as the beginning of 1970. In early 1971, an interim report had al- ready become available which included first results on five forging steels (15Mo3, 10CrMo9-10, 21CrMoV5-11, X22Cr- MoV12-1, X6CrNiMo17-13) and a cast steel heat (G17CrMoV5-11) at test life durations of up to several 1,000h. It was revealed that anisothermer Beanspruchung. Konstitutive Materialmodelle und entsprechend entwickelte Extrapolationsverfahren lassen sich vorteilhaft direkt mit der Finite Elemente Methode zur Bauteilberechnung koppeln. Der Beitrag schließt mit Themen, welche durch die Projekt- gruppe zukünftig bearbeitet werden sollen. Die Erkenntnisse aus der Arbeit der Projekt- gruppen fließen in Ansätze zur Auslegung von Bauteilen und Methoden der Restlebensdauer- bewertung ein. Die oben geschilderten Vorteile liefern einen wichtigen Beitrag zur Verkürzung von Entwicklungszeiten und tragen zum siche- ren Betrieb von Turbinen durch die Nutzung moderner Rechnertechnik und Software bei. l
