Lebensdauerbewertung von ferritisch-martensitischen Stählen für Kraftwerke, Wärmespeicher und thermische Solaranlagen unter Berücksichtigung von Kriech-Ermüdungsverformungsinteraktion und Streubandlage (AiF-Projekt)

Projektlaufzeit: 1.9.2021 bis 28.2.2024

Ferritisch-martensitische Stähle werden u. a. für hochbelastete Komponenten in Wärmespeichern und Kraftwerken eingesetzt, die zum Ausgleich der Schwankungen durch die vorrangige Nutzung erneuerbarer Energien zur Stromerzeugung im Residuallastbetrieb gefahren werden müssen. Mit zunehmender Betriebsdauer steigt somit das Versagensrisiko der ursprünglich auf Kriechbeanspruchung ausgelegten Bauteile. Für die Lebensdauerbewertung bei lastflexibler Anlagenfahrweise existieren etablierte Regelwerke. Die häufigen Start-Stopp-Zyklen tragen jedoch wesentlich zur Werkstoffentfestigung bei und führen zu beschleunigtem Kriechen in den anschließenden stationären Betriebsphasen, was durch die Regelwerke nicht berücksichtigt wird. Außerdem werden bei der Bewertung der Kriechschädigung die individuellen Kriecheigenschaften des verbauten Stahls nicht herangezogen. In diesem Vorhaben wird daher in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM ein Konzept entwickelt, welches durch die Ermittlung des aktuellen Materialzustands und der Streubandlage des verbauten Werkstoffs eine wesentlich verbesserte Lebensdauerbewertung von kriech-ermüdungsbeanspruchten Komponenten aus ferritisch-martensitischen Stählen erlaubt. Der besondere Fokus liegt auf der Entwicklung und Validierung eines mehrachsig formulierten Werkstoffmodells, welches die in betriebsnahen Versuchen mit quasi elastischer Verformung bei Lastwechseln beobachtete Kriech-Ermüdungsverformungsinteraktion und zyklische Werkstoffentfestigung beschreiben kann, eine praktikable Anpassung an die Streubandlage des tatsächlich verbauten Stahls anhand von Dehnungsmessungen an Komponenten erlaubt und für die Lebensdauerbewertung auf Basis von Betriebsdaten eingesetzt werden kann.

Entwicklung einer Methodik zur Bewertung  der Ermüdungslebensdauer von hoch belasteten Warmumformwerkzeugen auf Basis fortschrittlicher Werkstoffmodelle (→ DFG-Projekt)

Projektlaufzeit: 1.1.2015 bis 18.2.2017 und 1.6.2019 bis 30.6.2023

Viele Werkzeugschäden, die bei der Warmumformung im Betrieb auftreten, sind auf Ermüdungsrisse zurückzuführen. Die Ermüdungsrisse bilden sich und wachsen aufgrund der lokalen hohen zyklischen thermischen und mechanischen Beanspruchungen der Werkzeuge. Bisher gibt es keine etablierte Simulationsmethodik zur rechnerischen Bewertung der Lebensdauer von Umformwerkzeugen, die verlässliche Aussagen hinsichtlich der ertragbaren Zyklenzahl zum Versagen bei unterschiedlichen Beanspruchungsbedingungen zulässt. Ziel dieses Projekts ist es daher fortschrittliche Werkstoffmodelle zur Lebensdauerbewertung von Warmumformwerkzeugen zu entwickeln und diese anhand industrienaher Anwendungen auf ihre Vorhersagekraft zu überprüfen. Auf Basis von experimentellen Untersuchungen werden die für die Modellierung notwendigen Werkstoffdaten eines breit eingesetzten Werkzeugstahls ermittelt und dessen Schädigungsverhalten untersucht. Hierzu wird das Werkstoffverhalten bei bauteilnahen Belastungen am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM charakterisiert und es werden Umformversuche am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen IFUM der Leibniz Universität Hannover durchgeführt. An der Hochschule Offenburg werden die fortschrittlichen Werkstoffmodelle zur numerischen Beschreibung des Werkstoffverhaltens entwickelt. Zur Lebensdauerbewertung soll dabei gezielt ein auf dem beobachteten Schädigungsmechanismus basierendes Modell abgeleitet werden, das den Einfluss unterschiedlicher Belastungssituationen berücksichtigen kann. Die Modelle sollen in kommerzielle Finite-Elemente Programme implementiert und anhand zweier unterschiedlicher industrienaher Anwendungsfälle validiert werden. Mit den entwickelten Modellen soll zukünftig eine rechnerische Lebensdauerbewertung zur sicheren Auslegung von Warmumformwerkzeugen ermöglicht werden.

J. Siring, M. Schlayer, H. Wester, T. Seifert, D. Rosenbusch, B.-A. Behrens, Simulation of Hot-Forging Processes with a Temperature-Dependent Viscoplasticity Model. In: Liewald, M., Verl, A., Bauernhansl, T., Möhring, HC. (eds) Production at the Leading Edge of Technology. WGP 2022. Lecture Notes in Production Engineering. Springer, Cham., 81–90, 2023, https://doi.org/10.1007/978-3-031-18318-8_9

M. Schlayer, M. Warwas, T. Seifert, A Temperature-Dependent Viscoplasticity Model for the Hot Work Steel X38CrMoV5-3, Including Thermal and Cyclic Softening under Thermomechanical Fatigue Loading, Materials 16(3), 994, 2023, https://doi.org/10.3390/ma16030994

Sonstige Veröffentlichungen/Other Publications:

S. Junk, T. Seifert, D. Velten, H. Einloth, M. Schlayer, Wie von Geisterhand bewegt: 4-D-gedruckte Smart Materials, Forschung im Fokus, Hochschule Offenburg, 2023, 55-59

M. Schlayer, T. Seifert, Achtung heiß: Das neue Werkstoffmodell für Warmumformwerkzeuge, Forschung im Fokus, Hochschule Offenburg, 2022, 39-41