Mikrostruktur, Verformung und Lebensdauer der Legierung Alloy 617B

Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zum verbesserten Werkstoffverständnis der Nickellegierung Alloy 617B. Weiterhin wird ein Konzept zur Bewertung thermozyklisch belasteter Kraftwerkskomponenten mit der Finite-Elemente-Methode vorgestellt. Das Konzept besteht aus einem zeit- und temperaturabhängig formulierten Deformationsmodell und einem auf Risswachstum basierten Lebensdauermodell, welche für die Anwendung in Finite-Elemente-Programmen verfügbar gemacht werden. Die Werkstoffmodelle können die mikrostrukturellen Veränderungen infolge thermischer und thermisch-mechanischer Belastung abbilden, so dass die Verformung und Lebensdauer der Legierung Alloy 617B unabhängig von Materialzustand und Belastung mit einem einheitlichen Parametersatz beschreibbar sind. Die Modellbildung und Anpassung der Modellparameter erfolgt auf Basis metallographischer, mechanischer und fraktographischer Untersuchungen an unterschiedlichen Werkstoffzuständen.

In metallographischen Untersuchungen werden die Ausscheidungsphasen von Alloy 617B in verschiedenen Ausgangszuständen sowie die Veränderungen der Mikrostruktur infolge thermischer oder thermisch-mechanischer Belastung charakterisiert. Proben, die vor dem Versuch im lösungsgeglühten Ausgangszustand vorliegen, weisen bei Temperaturen um 700 °C nach kurzer Zeit Ausscheidungen feinster M23C6-Karbide auf. Die Bildung dieser feinsten Ausscheidungen wird durch eine vorgelagerte Stabilglühung verhindert. Ausscheidungen der ?'-Phase bilden sich erst nach vergleichsweise langen Belastungszeiten. Auf Basis der Ergebnisse der metallographischen Untersuchungen und einer ausführlichen Literaturrecherche zur Mikrostruktur und Phasenstabilität der Legierung Alloy 617 wird ein neues Zeit-Temperatur-Ausscheidungs-Diagramm vorgestellt.

Durch mechanische Untersuchungen (Zugversuche, isotherme und thermozyklische (Kriech-) Ermüdungsversuche und Kriechversuche) werden Erkenntnisse zur Wechselwirkung zwischen Mikrostruktur und Verformung der Legierung Alloy 617B abgeleitet. Die Bildung und das Wachstum feinster M23C6-Karbide werden durch eine überlagerte mechanische Belastung beschleunigt und die Festigkeit des Werkstoffs wesentlich durch diese Ausscheidungen beeinflusst. Einen weiteren wesentlichen Beitrag zur Festigkeit liefern Ausscheidungen der ?'-Phase wobei keine Anzeichen auf eine beschleunigte Ausscheidungskinetik der ?'-Phase unter mechanischer Belastung gefunden werden können.

In fraktographischen Untersuchungen werden die Bruchflächen ausgewählter Proben untersucht und deren Bruchmechanismen charakterisiert. Proben, die vor dem Versuch im lösungsgeglühten Ausgangszustand vorliegen, zeigen mit zunehmender Temperatur und abnehmender Belastungsrate zunehmend interkristalline Rissanteile. Die Neigung zur interkristallinen Rissbildung wird durch eine vorgelagerte Stabilglühung unterdrückt. Proben, die vor dem Versuch bereits durch Ausscheidungen der ?'-Phase verfestigt sind, zeigen insbesondere bei tiefen Temperaturen interkristalline Rissanteile.

Durch die Implementierung des Deformations- und Lebensdauermodells im Rahmen einer benutzerdefinierten Materialroutine können nichtlineare Spannungsanalysen und Lebensdauervorhersagen mit der Finite-Elemente-Methode durchgeführt werden. Um die Rechenzeiten der Finite-Elemente-Rechnung zu begrenzen, wird in der vorliegenden Arbeit außerdem eine effiziente Implementierung des Spannungsalgorithmus vorgestellt. Weiterhin wird am Beispiel der Nickellegierung C 263 gezeigt, wie sich das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Konzept auf andere Werkstoffe übertragen lässt.