Validation of a Constitutive Material Model with Anisothermal Uniaxial and Biaxial Experiments*

Andreas Simon; Alfred Scholz; Christina Berger

doi:10.3139/120.110067

Artikel

Validation of a Constitutive Material Model with Anisothermal Uniaxial and Biaxial Experiments*

Andreas Simon , Alfred Scholz und Christina Berger

Veröffentlicht/Copyright: 28. Mai 2013

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Aus der Zeitschrift Materials Testing Band 51 Heft 9

Abstract

The dynamic behaviour of steam turbine components is currently a key issue in terms of the discontinuity in the power supply from regenerative energy systems like wind-mills. These systems call for a combined and flexible use of conventional steam power plants. The influence on fatigue behaviour with superimposed creep on lifetime of large plant components is still unknown. Fatigue loading of such components is induced by temperature transients during start-up and shut-down processes. This requires an anisothermal inspection of the thermo-mechanical fatigue (TMF) loading at design. Hence, a viscoplastic constitutive material model of the Chaboche type was adapted to a 10% Cr forged steel. As a verification of the constitutive material model, uniaxial TMF experiments were performed. These experiments were derived from a temperature cycle on the surface of a turbine rotor during a hot start. The mechanical loading depends on the start temperature and the temperature rate of the start up, and the induced loading of the surface is biaxial. Therefore, a biaxial experiment with variable amplitude loading was also used for the purpose of material model verification. In order to recalculate deformation and to predict lifetime, the constitutive material model was implemented in a FEM calculation. In the present contribution it is shown that the constitutive material model of type Chaboche introduced can be applied to the recalculation of the deformation with an implicit evolution of damage under service-type conditions. Further efforts are necessary to investigate innovative parameter identification procedures and routines for the extrapolation of the inner variables of the constitutive material model under cyclic loading.

Kurzfassung

Das dynamische Verhalten von Dampfkraftwerken unter Leistungswechseln und während des Start- und Abschaltvorgangs ist durch die verstärkte Nutzung von unsteten regenerativen Energieträgern Gegenstand von Forschungsarbeiten. Aus der Nutzung regenerativer Energieträger resultiert der Wunsch nach einer zunehmend flexiblen Betriebsweise für thermische Spitzenlastanlagen. Der Einfluss der aus den An- und Abfahrvorgängen resultierenden Kriechermüdungsbeanspruchung bedarf dabei weiterer Untersuchungen zur Berücksichtigung der thermomechanischen Ermüdungsbeanspruchung während des Designprozesses. Hierfür wurde ein konstitutives viskoplastisches Materialmodell an einen modernen 10% Cr-Schmiedestahl angepasst. Als Verifikation wurden anisotherme einaxiale Experimente durchgeführt, welche vom Temperaturzyklus der Metalltemperatur an der Oberfläche eines Dampfturbinenrotors während eines Heißstarts abgeleitet wurden. Die biaxiale Beanspruchung in der Oberfläche von Dampfturbinenrotoren hängt wesentlich von der Starttemperatur und den Temperaturraten während der An- und Abfahrvorgänge ab. Daher wurde auch ein biaxialer Versuch mit variablen Dehnungsamplituden durchgeführt, welcher die Beanspruchung aus einer Kombination von Kalt-, Warm- und Heißstartzyklen repräsentiert. Für die Berechnung der Verformungs- und Schädigungsentwicklung unter Kriechermüdungsbeanspruchung wurde das konstitutive Materialmodell in die Materialroutine des FEM-Programms ABAQUS implementiert. Weiterer Forschungsbedarf besteht hinsichtlich innovativer Methoden der Parameteridentifikation und der Nutzung von Interpolationsverfahren für die inneren Variablen des Materialmodells für die Nachrechnung zyklischer Belastungsvorgänge.

This Contribution has already been published in the Proceedings of the International Conference on Low Cycle Fatigue (LCF 6).

Andreas Simon, born 1969, studied Mechanical Engineering at the University of Applied Sciences in Schweinfurt, and at the Technical University of Dresden. He has been employed at the Institut für Werkstoffkunde in the Department High Temperature Materials for the past five years. He is now responsible for the group Viscoplastic Material Models. The main objective of the group's research work is the quantification of deformation and damage development under cyclic creep-fatigue loading in the surface of heavy power plant components subjected to temperature transients.

Alfred Scholz studied mechanical engineering at the Technische Universität Darmstadt, where he obtained a doctorate degree for his work about long term creep fatigue behaviour of heat resistant steels. He works at the Institut für Werkstoffkunde and has been the Head of the Department High Temperature Materials since 2001. His research work deals with the qualification, characterisation, modelling, and simulation of high temperature behaviour under creep, creep-fatigue, and creep-crack growth loading conditions.

Christina Berger is Professor for Materials Engineering and director of the Institute for Materials Technology and the State Materials Testing Institute at the TU-Darmstadt. With a staff of 155 persons, including 62 scientists and 25 testing engineers, her main tasks are research on behaviour of materials and life time prediction of components under complex loading especially fatigue, high temperature, surface technology with corrosion and tribology, as well as teaching, testing, investigation, failure analysis, surveillance, certification, calibration, expertise, and consulting.

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Published Online: 2013-05-28

Published in Print: 2009-09-01

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