Kriechen von Stahl, Spannungsbruch und Langzeitverhalten bei hohen Temperaturen

Was Kriechen und Zeitstandbruch bei Stahl bedeuten

Kriechen als zeitabhängige Verformung

Kriechen von Stahl ist eine dauerhafte, zeitabhängige Verformung unter einer aufgebrachten Last bei erhöhter Temperatur. Das entscheidende Merkmal ist nicht einfach, dass der Stahl heiß ist oder hohen Spannungen ausgesetzt wird, sondern dass sich die Dehnung mit der Zeit weiter aufbaut, während Last und Temperatur ausreichend hoch bleiben. Ein Bauteil kann daher seine Länge, seinen Durchmesser, seine Wanddicke oder seine Ausrichtung verändern, selbst wenn die aufgebrachte Spannung unterhalb der in einem gewöhnlichen Zugversuch ermittelten kurzfristigen Streckgrenze bleibt.

Diese Unterscheidung ist wichtig, weil die Streckgrenze normalerweise über einen Zeitraum von Minuten bestimmt wird, während ein Kriechbetrieb 10.000 oder 100.000 Stunden dauern kann. Ein Stahl, der während eines kurzen Zugversuchs nur eine geringe oder keine bleibende Verformung zeigt, kann nach jahrelanger Belastung dennoch eine messbare Verlängerung, eine örtliche Ausdünnung oder eine Verformung aufweisen. Bei hoher Temperatur ermöglichen die Bewegung von Versetzungen, Diffusion, Korngrenzengleiten sowie das Wachstum oder die Auflösung von Ausscheidungen Verformungsmechanismen, die in einem konventionellen Versuch bei Raumtemperatur zu langsam ablaufen, um sichtbar zu werden.

Eine typische Kriechkurve weist drei Stadien auf. Das primäre Kriechen beginnt mit einer abnehmenden Dehnungsrate, während das Material sich verfestigt. Darauf folgt das sekundäre Kriechen mit einer annähernd konstanten beziehungsweise minimalen Kriechrate. Das tertiäre Kriechen beschleunigt sich, wenn Kavitation, Rissbildung, Querschnittsverlust, metallurgische Schädigung oder andere Schäden die lasttragende Fläche verringern. Die Kurve weist keine universelle Form auf: Ihr Verlauf hängt von Spannung, Temperatur, Korngefüge, Wärmebehandlung, Umgebung und vorausgegangener Exposition ab.[1][1] ASTM E139-11(2018), Standard Test Methods for Conducting Creep, Creep-Rupture, and Stress-Rupture Tests of Metallic Materials. ASTM International. ASTM International standard, 2018. ASTM E139-11(2018)

ASTM E139-11(2018), veröffentlicht von ASTM International, stellt die zentrale Referenz für Prüfverfahren an metallischen Werkstoffen dar. Die Norm behandelt die Messung der Verformung als Funktion der Zeit bei Kriechversuchen sowie die Messung der Bruchzeit bei Kriechbruch- und Zeitstandbruchversuchen unter konstanter Zugkraft und konstanter Temperatur. Ein Kriechversuch kann vor dem Bruch beendet werden, damit Dehnung und Kriechrate bewertet werden können. Zu den wichtigen Ergebnissen gehören die Gesamtdehnung, die Kriechdehnung, die Dehnungsrate und die minimale Kriechrate.

NIMS dokumentiert die Zeitstandbruchfestigkeit von Güteklasse 91 für mehrere Produktformen, Temperaturen, Spannungen und Zeitstandbruch-Lebensdauerintervalle. Strong evidence

Die Metallurgie kann sich bereits während des Versuchs verändern. Bei ferritischen warmfesten Stählen können Karbidreaktionen, Anlassen, Erholung, das Koarsen festigkeitssteigernder Teilchen und der Verlust des martensitischen Gefüges die Kriechrate verändern. Grade 91, das üblicherweise mit 9Cr-1Mo-V-Nb-Stahl in Verbindung gebracht wird, veranschaulicht, warum eine Werkstoffbezeichnung allein das Langzeitverhalten nicht festlegt. Der Creep Data Sheet-Datensatz von NIMS aus dem Jahr 2024 umfasst Rohre, Bleche und Leitungen aus Grade 91 im Bereich von 450 bis 725 °C und 30 bis 450 MPa und gibt die Zeitstandbruchfestigkeit nach 100, 1.000, 10.000 und 100.000 Stunden an. Diese Zeitpunkte verdeutlichen das Ausmaß des Problems: Die relevante Eigenschaft verändert sich mit der geforderten Betriebslebensdauer.

Kriechen steht außerdem in Wechselwirkung mit zyklischer Belastung. K. Natesans Darstellung zu ferritischem Stahl der Grade 91 bei der IAEA nennt zyklische Entfestigung, Abhängigkeit von der Dehnungsrate, thermische Alterung, Umwelteinflüsse und Gefügeänderungen als Faktoren bei der Auslegung gegen Kriechermüdung. Ein von den Autoren einer Studie aus dem Jahr 2022 zur Wilshire-Gleichung und zur Kontinuumsschädigungsmechanik entwickeltes Modell sollte die Kriechverformung, die minimale Kriechrate, die Schädigung und die Zeitstandbruchlebensdauer von P91 vorhersagen. Die Namen der Autoren sollten vor der Veröffentlichung anhand des verknüpften Datensatzes überprüft werden; sie sollten nicht aus der Beschreibung des Modells abgeleitet werden.

Zeitstandbruch als Zeit bis zum Bruch

Zeitstandbruch bezeichnet die Zeit, die eine Probe oder ein Bauteil benötigt, um unter einer anhaltenden Spannung bei einer festgelegten Temperatur zu brechen. Das Ergebnis ist eine Messung der Lebensdauer bis zum Versagen und nicht lediglich eine konventionelle Zugfestigkeit. Ein Zeitstandbruchbericht sollte die aufgebrachte Spannung, die Temperatur, die Bruchzeit sowie, sofern relevant, die Ausrichtung und Geometrie der Probe und häufig auch die gemessene Bruchdehnung und Brucheinschnürung angeben.

Die Begriffe Kriechbruch und Zeitstandbruch überschneiden sich, setzen jedoch unterschiedliche Schwerpunkte. Bei der Kriechprüfung steht die Verformung als Funktion der Zeit im Mittelpunkt, unabhängig davon, ob die Probe bricht. Bei der Zeitstandbruchprüfung steht die Zeitdauer bis zum Bruch im Mittelpunkt, obwohl die Probe vor dem Versagen normalerweise Kriechverformung erfährt. ASTM E139 behandelt diese miteinander verbundenen Verfahren in einem gemeinsamen Rahmen.

Der Bruchmodus ist Bestandteil des Ergebnisses. Eine Probe kann nach einer erheblichen Einschnürung durch duktiles Überlastversagen, durch interkristalline Rissbildung infolge von Korngrenzenkavitäten oder entlang eines spröderen Bruchpfads versagen, der durch einen Umgebungsangriff oder ein instabiles Gefüge begünstigt wird. Zwei Versuche mit derselben Bruchzeit können daher unterschiedliche Betriebsrisiken bedeuten, wenn der eine eine große vorausgehende Verformung hervorruft, während der andere vor der Rissbildung vergleichsweise wenig Warnung bietet.

NIST bezeichnet Kriechbruchdaten als eine wichtige Klasse mechanischer Werkstoffdaten, die zur Bewertung von Metallen bei erhöhter Temperatur benötigt werden. NIMS führt systematisch erhobene Daten zu warmfesten Kohlenstoffstählen, niedriglegierten Stählen, hochchromhaltigen Stählen und austenitischen Stählen. Solche Daten unterstützen Extrapolationen; eine Extrapolation ersetzt jedoch nicht die Überprüfung des tatsächlichen Zustands des Stahls, der Schweißhistorie, des Spannungszustands und der Expositionshistorie.

Warum Temperatur und anhaltende Spannung gemeinsam angegeben werden müssen

„Hochtemperaturfestigkeit“ ist unvollständig, wenn sie nicht sowohl die Temperatur als auch die Spannung sowie eine Zeitbasis umfasst. Eine Erhöhung der Temperatur oder der anhaltenden Spannung steigert im Allgemeinen die Kriechrate und verkürzt die Zeitstandbruchlebensdauer; die Wirkung ist jedoch stark von der Stahlsorte abhängig und wird nicht durch einen einzigen Festigkeitswert bei Raumtemperatur erfasst. Eine Aussage wie „Grade 91 behält bei hoher Temperatur 500 MPa bei“ hat ohne Angabe von Temperatur, Dauer, zulässiger Dehnung oder Schadensgrenze sowie Prüfgrundlage keine technische Bedeutung.

ASTM E139 geht von konstanter Zugkraft und konstanter Temperatur aus. Reale Bauteile erfahren nur selten einen derart einfachen Belastungsverlauf. Druckbehälter, Dampfleitungen, Sammler, Turbinenteile und Reaktorkomponenten können sich wiederholt erwärmen und abkühlen, Anfahr- und Abfahrtransienten ausgesetzt sein, wechselnde Drücke aufnehmen oder thermische Gradienten und Zwangsspannungen entwickeln. Diese Belastungsverläufe führen zu Wechselwirkungen zwischen Kriechen und Ermüdung, thermischen Spannungen, Spannungsrelaxation, Ratschen und sich veränderndem Gefüge. Eine Zeitstandbruchkurve bei konstanter Temperatur kann diese Effekte nicht allein beschreiben.[2][2] NUREG/CR-6150: Creep-Rupture Damage Modeling. U.S. Nuclear Regulatory Commission. U.S. Nuclear Regulatory Commission report, 1994. NUREG/CR-6150

Auslegungsregeln überführen Prüfdaten in zulässige Spannungen, Lebensdaueranteile, Dehnungsgrenzen oder Schadensbewertungen. ASME BPVC Section II, Part D enthält Auslegungskennwerte für Werkstoffe, während ASME BPVC Section III, Division 5 Konstruktionsregeln für Hochtemperaturkomponenten von Reaktoren behandelt. Die Richtlinie 2014/68/EU der Europäischen Union verlangt, dass kriechbezogene Werkstoffeigenschaften und vorgeschriebene Grenzwerte bei Druckgeräten berücksichtigt werden, wenn Kriechen von Bedeutung ist. NUREG/CR-6150, das 1994 von der U.S. Nuclear Regulatory Commission herausgegeben wurde, beschreibt die Modellierung von Kriechbruchschäden mit den Larson-Miller- und Manson-Haferd-Parametern für Werkstoffe einschließlich Kohlenstoffstahl und nichtrostendem Stahl.

Diese Parameter dienen der Strukturierung von Daten und sind keine Werkstoffkonstanten, die Unsicherheiten beseitigen. Die Langzeitleistung hängt weiterhin von der Temperaturhistorie, der anhaltenden und zyklischen Spannung, der Verformungsrate, dem Bruchmechanismus, der Umweltexposition und der Gefügestabilität ab. Deshalb müssen Kriechdehnung und Zeitstandbruchlebensdauer getrennt angegeben und anschließend gemeinsam im Hinblick auf die tatsächlichen Betriebsbedingungen interpretiert werden.

Die drei Stadien der Kriechverformung

Qualitativer Verlauf der Dehnrate

Eine Kriechprüfung erfasst die Dehnung in Abhängigkeit von der verstrichenen Zeit, während eine Probe einer dauerhaften Belastung und erhöhter Temperatur ausgesetzt bleibt. Das typische Ergebnis ist ein nach oben gekrümmtes Dehnungs-Zeit-Diagramm: Die Dehnung nimmt zunächst rasch zu, die Rate wird anschließend nahezu konstant, und vor dem Bruch beschleunigt sich die Verformung. Diese Beschreibung in drei Stadien ist nützlich, stellt jedoch keine Regel dar, der jede Legierung, jede Wärmebehandlung, jede Probe oder jede Belastungsgeschichte folgen muss. Manche Prüfungen enden bereits während des primären Kriechens; andere zeigen nur einen kurzen sekundären Bereich oder gehen unmittelbar in eine beschleunigte Schädigung über.

ASTM International’s ASTM E139-11(2018) legt Verfahren zur Messung der Verformung als Funktion der Zeit bei Kriechprüfungen sowie der Bruchzeit bei Zeitstand- und Spannungsbruchprüfungen an metallischen Werkstoffen unter konstanter Zugkraft und Temperatur fest. Eine Kriechkurve beschreibt daher mehr als lediglich die „Hochtemperaturfestigkeit“. Sie dokumentiert, wie der Werkstoff Last trägt, sich im Inneren verändert und sich dem Versagen nähert.

Primäres Kriechen und abnehmende Dehnrate

Das primäre Kriechen beginnt, sobald die angelegte Spannung und die Temperatur eine zeitabhängige plastische Verformung bewirken. Die Dehnrate ist zunächst relativ hoch und nimmt dann ab. Diese Abnahme spiegelt üblicherweise die Verfestigung wider: Versetzungen vermehren sich und wechselwirken miteinander, wodurch eine weitere Verformung erschwert wird. Gleichzeitig beginnen Erholungsvorgänge wie die Umordnung und Aufhebung von Versetzungen, der Verfestigung entgegenzuwirken. Die gemessene Kurve ergibt sich aus diesen miteinander konkurrierenden Mechanismen.

Die anfängliche Rate kann auch durch die Vorgehensweise bei der Belastung beeinflusst werden. Eine Probe, die schnell auf die Prüftemperatur und die Prüfkraft gebracht wird, kann in der frühen Phase ein anderes Verhalten zeigen als eine Probe, die unter Last erwärmt wird, da Wärmeausdehnung, vorübergehende Spannungsumlagerung und mikrostrukturelle Erholung den Ausgangszustand verändern. In ausscheidungsverfestigten Stählen können Partikel die Versetzungsbewegung zunächst behindern, während der Einwirkung jedoch gröber werden oder sich auflösen. In ferritischen warmfesten Stählen bestimmen die Stabilität des angelassenen Martensits, die Karbidpopulationen und feinere Ausscheidungen, wie schnell sich das primäre Kriechen in einen gleichmäßigeren Bereich verändert.

Primäres Kriechen ist nicht lediglich ein kurzer Vorspann des „eigentlichen“ Versuchs. Die akkumulierte Dehnung kann bei einem Bauteil mit enger Maßtoleranz von Bedeutung sein, und die frühe Rate kann erkennen lassen, ob der Werkstoff thermisch gealtert oder unsachgemäß wärmebehandelt wurde. Grade 91, ein 9Cr-1Mo-V-Nb-Stahl, veranschaulicht diesen Punkt: Sein Kriechverhalten hängt von der Stabilität seines angelassenen martensitischen Gefüges und seiner Ausscheidungen ab, nicht nur von seinen nominellen Chrom- und Molybdängehalten. Zyklische Entfestigung, Abhängigkeit von der Dehnrate, thermische Alterung, Umwelteinflüsse und mikrostrukturelle Veränderungen gehören zu den Faktoren, die K. Natesan von der IAEA in Diskussionen zur Auslegung gegen Kriechermüdung bei ferritischem Grade-91-Stahl identifiziert hat.

Die Kurve kann von der Form aus Lehrbüchern abweichen, wenn die Spannung niedrig ist, sich die Temperatur verändert oder ein Werkstoff eine ausgeprägte strukturelle Erholung durchläuft. Eine abnehmende Dehnrate ist üblich, aber nicht universell.

Sekundäres Kriechen und minimale Kriechrate

Das sekundäre Kriechen ist der Abschnitt, in dem die Dehnrate über ein erhebliches Zeitintervall annähernd konstant bleibt. In der Praxis erreicht die Rate häufig ein Minimum, anstatt vollkommen konstant zu bleiben. Diese minimale Kriechrate gehört zu den nützlichsten Größen für den Vergleich von Legierungen und Prüfbedingungen, da sie ein definiertes Maß für die Verformung während des Zeitraums liefert, in dem Verfestigung und Erholung annähernd im Gleichgewicht stehen.

Der Vergleich ist nur dann aussagekräftig, wenn die Prüfvariablen kontrolliert werden. Temperatur, angelegte Spannung, Orientierung der Probe, vorausgegangene Wärmebehandlung, Korngröße, Messlänge und Atmosphäre können den gemessenen Wert verändern. Eine geringe Temperaturänderung kann eine große Änderung der Rate bewirken, da sich thermisch aktivierte Diffusion und Versetzungsklettern mit steigender Temperatur beschleunigen. Die Spannung beeinflusst die Rate über den jeweils aktiven Verformungsmechanismus; bei unterschiedlichen Spannungsbereichen können Korngrenzengleiten, Versetzungskriechen oder diffusionsunterstützte Prozesse vorherrschen.

Dokumentierter Bereichswert

Die Creep Data Sheet-Datenbank des NIMS aus dem Jahr 2024 zeigt, warum die Prüfbedingungen zusammen mit jedem angegebenen Wert genannt werden müssen. Der Datensatz für Grade 91 deckt 450 bis 725 °C und 30 bis 450 MPa ab; die Zeitstandfestigkeit wird für 100, 1.000, 10.000 und 100.000 Stunden angegeben. Diese Bereiche lassen sich nicht auf eine einzige temperaturunabhängige Festigkeitskennzahl reduzieren. Das NIMS führt außerdem systematisch erfasste Daten für Kohlenstoffstähle, niedriglegierte Stähle, hochchromhaltige Stähle und austenitische warmfeste Stähle.

Die minimale Kriechrate ist sowohl für die Modellanpassung als auch für den Werkstoffvergleich nützlich. Eine Studie aus dem Jahr 2022, die über das Office of Scientific and Technical Information des U.S. Department of Energy veröffentlicht wurde, kombinierte Wilshire-Gleichungen mit der Kontinuumsschädigungsmechanik, um Kriechverformung, minimale Kriechrate, Schädigung und Spannungsbruchlebensdauer in P91-Stahl vorherzusagen. Solche Modelle benötigen weiterhin Daten für relevante Spannungen, Temperaturen, Produktformen und mikrostrukturelle Zustände. Eine weit über den geprüften Bereich hinausgehende Extrapolation kann Veränderungen des Mechanismus verbergen.

Die Geometrie der Probe ist hierbei von Bedeutung. Die Messlänge beeinflusst, wie die lokale Dehnung gemittelt wird, während Durchmesser und Gestaltung des Übergangsbereichs die Spannungskonzentration und den Wärmestrom beeinflussen. In einem Bauteil können mehrachsige Spannungen, Eigenspannungen aus Schweißungen, Kerben und Innendruck eine andere lokale Kriechrate hervorrufen als diejenige, die an einer glatten einachsigen Probe gemessen wird.

Tertiäres Kriechen, Schädigungsakkumulation und Bruch

Das tertiäre Kriechen beginnt, wenn sich die Dehnrate beschleunigt. Die Beschleunigung signalisiert, dass die Probe einen wirksamen lasttragenden Querschnitt verliert oder dass ihr innerer Widerstand gegen Verformung nachlässt. Einschnürung, Korngrenzenkavitation, Vergröberung von Karbiden, Auflösung von Ausscheidungen, Oxidation, Rissbildung und lokalisierte Verformung können einzeln oder gemeinsam wirken. Wenn der wirksame Querschnitt abnimmt, steigt die lokale Spannung, selbst wenn die äußerlich aufgebrachte Kraft konstant bleibt. Die Kurve biegt sich daraufhin steil nach oben und endet mit dem Bruch.

Dieses Stadium ist daher ein Schädigungssignal und nicht lediglich eine schnellere Version des sekundären Kriechens. Ein Bauteil kann bereits vor dem Auftreten eines sichtbaren Risses unsicher werden, insbesondere wenn sich an Korngrenzen Hohlräume bilden oder eine Wärmeeinflusszone der Schweißnaht geschwächt wird. Die Bruchart hängt vom Spannungszustand, der Temperatur, dem Korngefüge, der Umgebung und der Einwirkungsdauer ab. Glatte Zugproben versagen häufig durch lokalisierte Einschnürung oder intergranulare Kavitation; gekerbte oder behinderte Bereiche können eine hohe Triaxialität und ein deutlich früheres Risswachstum erfahren.

Bei der Spannungsbruchprüfung steht die Zeit bis zum Bruch im Mittelpunkt, während die Kriechprüfung die Verformung als Funktion der Zeit untersucht. Die beiden Messungen stehen miteinander in Zusammenhang, beantworten jedoch unterschiedliche technische Fragen. Das NIST bezeichnet Zeitstandbruchdaten als eine wichtige Klasse mechanischer Werkstoffdaten, die zur Bewertung von Metallen bei erhöhten Temperaturen benötigt werden. NUREG/CR-6150 (1994) der U.S. Nuclear Regulatory Commission beschreibt die Schädigungsmodellierung mit Larson-Miller- und Manson-Haferd-Parametern für Werkstoffe einschließlich Kohlenstoffstahl und nichtrostendem Stahl; parametrisierte Kurven bleiben jedoch von den zugrunde liegenden Daten und Versagensmechanismen abhängig.

Auslegungsvorschriften müssen diese Abhängigkeit berücksichtigen. ASME BPVC Section II, Part D stellt Auslegungskennwerte für Werkstoffe bereit, während ASME Section III, Division 5 Konstruktionsregeln für Hochtemperaturkomponenten von Reaktoren enthält. Die Richtlinie 2014/68/EU verlangt, dass kriechbezogene Werkstoffeigenschaften und vorgeschriebene Grenzwerte berücksichtigt werden, wenn Kriechen für die Auslegung von Druckgeräten von Bedeutung ist. Diese Vorschriften behandeln die Bruchzeit nicht als vollständige Beschreibung des Betriebsverhaltens. Sie begrenzen außerdem die zulässige Spannung, Verformung, Schädigung und Lebensdauer unter festgelegten Temperatur- und Belastungsverläufen.

Das Ende des tertiären Kriechens ist nicht immer ein einzelnes eindeutig abgrenzbares Ereignis. Thermische Zyklen können Ermüdungsrisse überlagern; Oxidation kann den Querschnitt von außen verringern; und die metallurgische Alterung kann den vorherrschenden Mechanismus während des Betriebs verändern. Eine zuverlässige Bewertung liest daher die vollständige Kurve, bestimmt die minimale Kriechrate, untersucht den Schädigungsverlauf und prüft, ob die Prüfprobe die Geometrie, den Spannungszustand, die Umgebung und die Mikrostruktur des Bauteils repräsentiert.

Metallurgische Mechanismen hinter der Verformung bei hohen Temperaturen

Kriechen ist eine zeitabhängige Verformung unter anhaltender Spannung und Temperatur. Die vertraute Dehnungs-Zeit-Kurve weist drei Stadien auf, doch diese Stadien sind keine voneinander getrennten Naturgesetze. Sie sind das sichtbare Ergebnis sich verändernder mikroskopischer Prozesse. Das primäre Kriechen zeigt gewöhnlich eine abnehmende Dehnungsrate, während sich Versetzungen umordnen und das Material verfestigt. Beim sekundären Kriechen ist die Rate annähernd konstant, wenn sich Verfestigung und Erholung die Waage halten. Das tertiäre Kriechen beschleunigt sich, wenn Einschnürung, Porosität, Kavitation an Korngrenzen, Rissbildung und Querschnittsverlust die lasttragende Fläche verringern.

Die Spannungsbruchprüfung stellt eine andere Frage: Wie lange übersteht die Probe die Belastung, bevor sie bricht? ASTM E139-11(2018) legt Verfahren zur Messung der zeitabhängigen Verformung bei Kriechversuchen sowie der Zeit bis zum Bruch bei Kriechbruch- und Spannungsbruchprüfungen an metallischen Werkstoffen fest, die unter konstanter Zugkraft und Temperatur gehalten werden. Eine Bruchzeit ist daher kein Ersatz für eine Kriechkurve. Zwei Chargen können zu ähnlichen Zeitpunkten brechen und dabei unterschiedliche Dehnungen akkumulieren, oder eine Probe kann nach einer insgesamt geringen Dehnung versagen, weil sich die Schädigung an den Korngrenzen lokalisiert hat.

Versetzungsbewegung und Erholung

VersetzungskletternVersetzungsklettern Diffusionsunterstützte Bewegung einer Versetzung aus ihrer ursprünglichen Gleitebene, wodurch sie Hindernisse umgehen kann, die ein gewöhnliches Gleiten blockieren.

Bei Temperaturen unterhalb des Bereichs, in dem die Diffusion von Bedeutung ist, wird die plastische Dehnung hauptsächlich durch das Gleiten von Versetzungen bestimmt. Eine Versetzung bewegt sich, wenn die aufgelöste Schubspannung den Widerstand des Gitters, der gelösten Atome, der Ausscheidungen, anderer Versetzungen und der Subkorngrenzen überwindet. Die Temperatur verändert dieses Gleichgewicht: Thermische Aktivierung unterstützt eine Versetzung beim Überwinden kurzreichweitiger Hindernisse, während eine anhaltende Spannung die treibende Kraft für die weitere Bewegung bereitstellt.

Bei höheren Temperaturen können Versetzungen zusätzlich zum Gleiten klettern. Das Klettern erfordert die Diffusion von Leerstellen zur Versetzungslinie oder von ihr weg, sodass sich die Versetzung aus ihrer ursprünglichen Gleitebene herausbewegen und ein Hindernis umgehen kann. Dieser Prozess ist bei vielen Stählen ein zentraler Mechanismus des Potenzgesetz-Kriechens. Eine Ausscheidung, die das Gleiten blockiert, kann durch Klettern umgangen werden; auch ein Versetzungsstau kann sich entspannen, wenn Leerstellen das Klettern um ein Hindernis ermöglichen. Die gemessene Kriechrate hängt folglich von Spannung, Temperatur, Hindernisabstand, Leerstellenbeweglichkeit und der sich entwickelnden Versetzungsstruktur ab.

Die Erholung baut einen Teil der durch die Verformung erzeugten Verfestigung ab. Versetzungen mit entgegengesetztem Vorzeichen vernichten sich, wenn sie zusammentreffen, ordnen sich in Konfigurationen niedrigerer Energie um und bilden durch Polygonisation Subkörner. Diese Veränderungen erklären, weshalb sich das primäre Kriechen verlangsamen kann, obwohl die Verformung weitergeht: Das Material verfestigt sich zunächst, anschließend gleicht die Erholung diese Verfestigung zunehmend aus. Beim sekundären Kriechen führt das Gleichgewicht zwischen Versetzungsvervielfachung, Gleiten, Klettern und Erholung zu einer annähernd konstanten minimalen Kriechrate.

Dieses Gleichgewicht bleibt während des Einsatzes nicht unverändert. Angelassener martensitischer Stahl Grade 91, in einschlägigen Produkt- und Auslegungskontexten auch als P91 bezeichnet, erhält seine Kriechbeständigkeit durch eine feine Lattenstruktur und Ausscheidungen, darunter chromreiche M${}_{23}$C${}_6$-Karbide und MX-Partikel mit Niob und Vanadium. Thermische Beanspruchung lässt diese Partikel gröber werden oder sich neu verteilen, verändert die Latten- und Subkornstrukturen und kann den Widerstand gegen die Versetzungsbewegung verringern. Die Ausführungen von K. Natesan bei der IAEA zu Grade 91 nennen zyklische Erweichung, Dehnratenabhängigkeit, thermische Alterung, Umwelteinflüsse und mikrostrukturelle Veränderungen als Auslegungsfaktoren bei der Bewertung von Kriechermüdung. Die anfängliche Zugfestigkeit einer Probe sagt daher allein nur wenig über ihre langfristige minimale Kriechrate nach mehreren tausend Stunden aus.

Die Abhängigkeit wird häufig durch eine Beziehung vom Norton-Typ dargestellt, beispielsweise \(\dot{\varepsilon}=A\sigma^n\exp(-Q/RT)\), wobei die Kriechrate mit zunehmender Spannung und Temperatur steigt. Diese Beziehung ist innerhalb eines festgelegten Mechanismus und Datenbereichs nützlich, jedoch keine universelle Beschreibung. Der Spannungsexponent, die Aktivierungsenergie und sogar der maßgebliche Mechanismus können sich ändern. Die auf Wilshire basierende Studie zur Kontinuums-Schädigungsmechanik von P91 aus dem Jahr 2022 veranschaulicht diesen Punkt, indem sie Beschreibungen der Verformung und der Schädigung kombiniert, um Kriechdehnung, minimale Kriechrate, Schädigung und Spannungsbruchlebensdauer vorherzusagen, anstatt die Bruchfestigkeit als eine einzelne Konstante zu behandeln.

Diffusion, Korngrenzen und Kavitation

Diffusionsunterstützte Verformung gewinnt mit steigender Temperatur zunehmend an Bedeutung. Beim Nabarro-Herring-Kriechen diffundieren Atome durch das Kristallgitter von Druckspannungsbereichen zu Zugspannungsbereichen. Beim Coble-Kriechen stellt die Diffusion entlang der Korngrenzen einen kürzeren Weg bereit. Beide Mechanismen werden stark von der Korngröße beeinflusst: Feinere Körner bieten eine größere Korngrenzfläche und kürzere Diffusionswege, wodurch das Diffusionskriechen unter geeigneten Bedingungen zunehmen kann.

KorngrenzenporenbildungKorngrenzenporenbildung Keimbildung, Wachstum und Verbindung mikroskopischer Hohlräume entlang von Korngrenzen unter Hochtemperaturbeanspruchung.

Korngrenzen sind außerdem Orte des Gleitens. Benachbarte Körner können sich relativ zueinander verschieben, wenn Diffusion und Versetzungstätigkeit die Inkompatibilität an ihren Verbindungsstellen ausgleichen. Das Korngrenzengleiten trägt insbesondere bei hoher homologer Temperatur, niedriger bis mittlerer Spannung und kleiner Korngröße zur Kriechdehnung bei. Ohne Ausgleich kann es nicht unbegrenzt fortschreiten; andernfalls würden sich an den Stellen, an denen mehrere Korngrenzen zusammentreffen, Lücken und Überlappungen bilden. Versetzungsklettern und Diffusion liefern diesen Ausgleich.

Dieselben Korngrenzen können zu bevorzugten Schädigungsorten werden. Leerstellen und Verunreinigungen wandern zu den beanspruchten Grenzflächen, während das Gleiten die Dehnung an Dreifachknoten und an Partikeln konzentriert. Kleine Hohlräume bilden sich, wachsen und verbinden sich zu Mikrorissen. Dies wird als Korngrenzenkavitation bezeichnet. Das tertiäre Kriechen beginnt, wenn eine solche Schädigung, lokale Einschnürung und Risswachstum die wirksame Querschnittsfläche so weit verringern, dass sich die makroskopische Dehnungsrate beschleunigt.

Die Kavitation wird durch den Spannungszustand, die Festigkeit der Korngrenzen, die Partikelverteilung, Oxidation und die vorausgegangene thermische Vorgeschichte beeinflusst. Eine einachsige Laborprüfung bildet nicht jede Einsatzbedingung nach: Mehrachsige Einspannung kann das Wachstum von Hohlräumen hemmen oder fördern, und eine oxidierende Atmosphäre kann die Oberfläche schädigen und die Risspfade verändern. Die Ausführungen von ASM International zu Kriech- und Spannungsbruchversagen berücksichtigen daher neben Spannung und Temperatur auch Umgebung, metallurgische Instabilität, Karbidreaktionen, Bruchart und das Zusammenwirken von Kriechen und Ermüdung.

NIMS stellt systematisch erhobene Kriech- und Bruchdaten für Kohlenstoffstähle, niedriglegierte Stähle, hochchromhaltige Stähle und austenitische warmfeste Stähle bereit. Der Datensatz von 2024 zu Grade 91 umfasst Rohre, Bleche und Rohrleitungen aus 9Cr-1Mo-V-Nb-Stahl im Bereich von 450 bis 725 °C und 30 bis 450 MPa und gibt die Kriechbruchfestigkeit nach 100, 1.000, 10.000 und 100.000 Stunden an. Diese Zeitintervalle machen mikrostrukturelle Veränderungen sichtbar, die durch einen Zugversuch kurzer Dauer nicht erfasst werden können. Auch NIST identifiziert Kriechbruchdaten als eine wichtige Klasse mechanischer Werkstoffdaten, die zur Bewertung von Metallen bei erhöhten Temperaturen erforderlich ist.

Der Einfluss von Korngröße und kristallografischer Struktur

Die Korngröße verändert den Wettbewerb zwischen intragranularer Verformung und korngrenzenkontrollierter Verformung. Grobe Körner enthalten insgesamt weniger Korngrenzfläche, wodurch das Korngrenzengleiten und das Diffusionskriechen im Allgemeinen verringert werden. Deshalb können grobkörnige oder gerichtet erstarrte Strukturen bei bestimmten Hochtemperaturanwendungen gute Eigenschaften zeigen. Feine Körner können jedoch bei niedrigeren Temperaturen durch Korngrenzenverfestigung die Streckgrenze erhöhen und zur Ausbildung einer gleichmäßigen angelassenen martensitischen Struktur beitragen. Die bevorzugte Korngröße hängt von der Einsatztemperatur, der Spannung, der Belastungsgeschichte und dem Versagenskriterium ab.

Auch die Kristallstruktur ist von Bedeutung. Ferritische und martensitische Stähle besitzen kubisch-raumzentrierte Strukturen, während austenitische nichtrostende Stähle kubisch-flächenzentrierte Strukturen aufweisen. Ihre Gleitsysteme, Diffusionsraten, Stapelfehlerenergien, Phasenstabilitäten und Ausscheidungsreaktionen unterscheiden sich. Ein Stahl, der bei einer bestimmten Temperatur dem Versetzungsgleiten widersteht, kann bei längerer Beanspruchung durch Erholung oder Phasenumwandlung erweichen. Gussteile aus Grade C91 nach ASTM A1091/A1091M beruhen auf angelassenen martensitischen oder bainitischen Strukturen, die durch ausgeschiedene Partikel stabilisiert werden; der Vorteil hängt jedoch davon ab, dass diese partikelverfestigte Struktur während des Einsatzes erhalten bleibt.

Für die Auslegung dürfen Änderungen des Mechanismus nicht gefahrlos in einer einzigen Extrapolationsgleichung verborgen werden. NUREG/CR-6150 (1994) beschreibt die Larson-Miller- und Manson-Haferd-Parametermethoden zur Modellierung von Kriechbruchschädigung in Werkstoffen wie Kohlenstoffstahl und nichtrostendem Stahl. Diese Methoden strukturieren die Daten, entfallen jedoch nicht die Notwendigkeit, Struktur, Umgebung, Dehnungsgrenzen und Bruchart zu überprüfen. ASME BPVC Section II, Part D stellt Auslegungskennwerte für Werkstoffe bereit, während Section III, Division 5 Konstruktionsregeln für Hochtemperaturreaktorkomponenten enthält. Die Richtlinie 2014/68/EU der Europäischen Union verlangt ebenfalls, dass kriechbezogene Eigenschaften und vorgeschriebene Grenzwerte berücksichtigt werden, wenn Kriechen bei der Auslegung von Druckgeräten von Bedeutung ist. Die richtige Interpretation beginnt mit dem Mechanismus, der die Kurve bestimmt, und nicht mit einer einzelnen angegebenen „Hochtemperaturfestigkeit“.

Wie sich das Stahlgefüge bei Langzeitbeanspruchung verändert

Ein Stahlbauteil behält sein Herstellungsgefüge nicht unbegrenzt bei. Temperatur und Spannung treiben auch nach der Fertigung weiterhin Diffusion, Erholung von Versetzungen, Teilchenwachstum, Phasenumwandlungen und die Schadensakkumulation voran. Das durch eine Abnahmeprüfung erfasste Gefüge kann daher erheblich von dem Gefüge abweichen, das nach 100.000 Betriebsstunden die Kriechgeschwindigkeit oder den Bruch bestimmt.

Diese Unterscheidung ist für ferritische, kriechfestigkeitsverbesserte Stähle von zentraler Bedeutung. ASTM E139-11(2018), veröffentlicht von ASTM International, unterscheidet die Messung der zeitabhängigen Verformung in einem Kriechversuch von der Messung der Zeit bis zum Bruch in einem Kriechbruch- oder Spannungsbruchversuch. Beide Ergebnisse hängen von dem während der Beanspruchung vorhandenen Gefüge ab und nicht lediglich von der anfänglichen Zugfestigkeit.

Das Langzeitverhalten von Güteklasse 91 hängt von angelassenem Martensit, der Stabilität von Ausscheidungen, der Produktform, der Wärmebehandlung und der Betriebseinwirkung ab, nicht allein von der Nennchemie. Strong evidence

Angelassener Martensit und Bainit in ferritischen Stählen

Grade 91 ist ein aussagekräftiges Beispiel. Die Bezeichnung bezieht sich üblicherweise auf die Familie der ferritischen 9Cr-1Mo-V-Nb-Legierungen, die in Produktnormen wie ASTM A213, ASTM A335, ASTM A387 und verwandten Spezifikationen geliefert werden, wobei die genaue Produktform in der jeweiligen Norm angegeben ist. Nach dem Austenitisieren, Abschrecken oder kontrollierten Abkühlen und Anlassen entwickelt die Legierung ein angelassenes martensitisches Gefüge. Einige ferritische, kriechfestigkeitsverbesserte Stähle, darunter Gussstücke aus Grade C91 gemäß ASTM A1091/A1091M, können abhängig von ihrer Zusammensetzung und Wärmebehandlung angelassene martensitische oder bainitische Gefüge enthalten.

Frisch angelassener Martensit enthält eine hohe Versetzungsdichte, feine Latten- oder Paketgrenzen sowie eine Verteilung von Karbid- oder Karbonitridteilchen. Bainit besitzt eine eigene Lattenanordnung und Defektstruktur, hängt jedoch ebenfalls stark von der Umwandlungstemperatur und dem anschließenden Anlassen ab. Diese Merkmale behindern die Versetzungsbewegung und verlangsamen die Kriechverformung. Die Verfestigung wird nicht allein durch isolierte Chrom- oder Molybdänatome bewirkt, sondern durch das Zusammenwirken der Matrix, der Grenzen, der Versetzungen und der ausgeschiedenen Teilchen.

In Grade 91 scheiden sich chromreiche M23C6-Karbide typischerweise an den Grenzen ehemaliger Austenitkörner und an Latten­grenzen aus, während feine Karbonitride des MX-Typs mit Vanadium und Niob innerhalb der Latten verteilt verbleiben können. ASTM A1091/A1091M beschreibt Grade C91 als Werkstoff mit einem angelassenen martensitischen oder bainitischen Gefüge, das durch ausgeschiedene Teilchen stabilisiert wird, wobei diese Stabilisierung zur Kriechbruchfestigkeit beiträgt. Die Teilchen fixieren Korngrenzen und Untergrenzen, während die Lattenstruktur der Erholung Hindernisse entgegensetzt.

Dieser Widerstand ist jedoch vorübergehend und nicht absolut. Bei der Betriebstemperatur ordnen sich Versetzungen neu an und annihilieren, die Latten verlieren allmählich ihren ursprünglichen Grenzcharakter, und die Subkörner wachsen. Die Matrix nähert sich schrittweise einem Zustand niedrigerer Energie. Im Verlauf dieser Erholung kann die minimale Kriechgeschwindigkeit ansteigen, selbst wenn die aufgebrachte Spannung und die nominelle Temperatur konstant bleiben. Eine Wärmebehandlung, die eine ausgezeichnete Kurzzeitfestigkeit erzeugt, kann daher nach längerer Beanspruchung weniger wirksam sein.

Der 2024 vom National Institute for Materials Science veröffentlichte NIMS-Datensatz zu Grade 91 umfasst Temperaturen von 450 bis 725 °C und Spannungen von 30 bis 450 MPa. Er enthält Angaben zur Kriechbruchfestigkeit bei 100, 1.000, 10.000 und 100.000 Stunden. Diese Zeiträume sind nicht austauschbar: Eine Teilchenpopulation, die während eines 1.000-Stunden-Versuchs stabil erscheint, kann so stark vergröbern, dass sich das Ergebnis nach 100.000 Stunden verändert.

Ausscheidung, Vergröberung und Karbidreaktionen

Ausscheidungen erhöhen die Festigkeit ferritischer Stähle nur dann, wenn Teilchengröße, Abstand, Verteilung und Grenzfläche zur Matrix geeignet sind. Sehr feine MX-Karbonitride können über lange Zeit wirksam bleiben, während größere Teilchen je Volumeneinheit weniger Hindernisse darstellen. Die Vergröberung vergrößert den mittleren Teilchenabstand und verringert den Widerstand gegen die Versetzungsbewegung. Der Werkstoff kann erweichen, ohne ein offensichtlich makroskopisches Merkmal wie Oberflächenrisse zu entwickeln.

Karbidreaktionen führen zu einer weiteren Veränderungsebene. M23C6-Teilchen können sich an Grenzen vergröbern, teilweise auflösen oder Elemente mit der ferritischen Matrix austauschen. Neue Phasen können entstehen, wenn Elemente wie Molybdän, Wolfram oder andere Legierungszusätze während einer Langzeitbeanspruchung übersättigt werden. Bei Grade 91 wurde unter geeigneten Bedingungen die Ausscheidung einer Laves-Phase während der Alterung beschrieben. Ihre Bildung kann zunächst die Festigkeit und die Verteilung gelöster Elemente beeinflussen; weiteres Wachstum kann jedoch Festigkeitselemente verbrauchen und eine lokale Versprödung oder Erweichung fördern. Die genaue Reaktion hängt von der Zusammensetzung, der vorausgegangenen Wärmebehandlung, der Temperatur, der Spannung und der Beanspruchungsdauer ab.

Die Stabilität der Teilchen variiert außerdem innerhalb des Bauteils. Wärmeeinflusszonen von Schweißnähten, Seigerungsbänder in Gussgefügen, Korngrenzbereiche und oberflächennahe Bereiche können anfangs unterschiedliche Ausscheidungsverteilungen aufweisen. Bei Gussstücken aus Grade C91 können das Erstarrungsgefüge und die lokale chemische Zusammensetzung dazu führen, dass verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten altern. Ein einzelner Härtewert, der an einer zugänglichen Oberfläche ermittelt wurde, kann daher nicht belegen, dass jeder Abschnitt dieselbe metallurgische Veränderung erfahren hat.

Gealterte Teilchen können auch das Bruchverhalten verändern. Grobe Korngrenzkarbide und erholte Lattenstrukturen verringern den Widerstand gegen Korngrenzengleiten und die Bildung von Hohlräumen. Unter einer anhaltenden Spannung können sich Leerstellen und Verformung an den Grenzen konzentrieren, wo sich Hohlräume um Teilchen oder Einschlüsse bilden. Der letztendliche Bruch kann transkristallin, interkristallin oder gemischt sein. Ausscheidungshärtung und Spannungsbruchbeständigkeit sind daher miteinander verbundene, aber nicht identische Eigenschaften.

Thermische Alterung und metallurgische Instabilität

Die thermische Alterung umfasst die allmählichen Gefügeveränderungen, die allein durch die Temperatur verursacht werden, während Kriechen eine spannungsunterstützte Diffusion, Versetzungsbewegung und Hohlraumwachstum hinzufügt. Oxidation, Aufkohlung, Entkohlung und korrosive Ablagerungen können die Zusammensetzung in Oberflächennähe zusätzlich verändern. Diese Umwelteinflüsse können eine erweichte Schicht oder eine spröde Zunderschicht erzeugen, bevor der Grundwerkstoff einer vergleichbaren Alterung unterzogen wurde.

Grade 91 reagiert besonders empfindlich auf die Herstellungs- und Betriebsgeschichte. Eine fehlerhafte Normalisierung oder ein fehlerhaftes Anlassen kann übermäßigen Deltaferrit, unzureichend angelassenen Martensit oder eine ungeeignete Ausscheidungspopulation hinterlassen. Während des Betriebs kann zyklische Belastung zu einer zyklischen Erweichung führen; das Verhalten hängt von Dehnrate und Temperatur ab. K. Natesan von der IAEA nennt zyklische Erweichung, Dehnratenabhängigkeit, thermische Alterung, Umwelteinflüsse und Gefügeänderungen als Faktoren bei der Auslegung gegen Kriechermüdung von ferritischem Stahl der Güte Grade 91.

Aus diesem Grund kann ein Fertigungszeugnis allein die langfristig zulässige Leistungsfähigkeit nicht festlegen. Zur Ermittlung von Erholung, Teilchenvergröberung oder Grenzflächenschädigung können metallografische Untersuchungen, Härtekartierungen, Untersuchungen an Replika-Abdrücken, eine Schweißnahtbewertung und Aufzeichnungen über die Betriebsbeanspruchung erforderlich sein. NIMS unterhält systematisch erfasste Kriech- und Bruchdaten für Kohlenstoffstähle, niedriglegierte Stähle, hochchromhaltige Stähle und austenitische warmfeste Stähle. NIST beschreibt Kriechbruchdaten als eine bedeutende Klasse mechanischer Werkstoffkennwerte zur Bewertung von Metallen bei erhöhten Temperaturen.

Auslegungsregeln müssen das sich verändernde Gefüge berücksichtigen. ASME BPVC Section II, Part D stellt Werkstoffkennwerte für die Auslegung bereit, während ASME Section III, Division 5 Konstruktionsregeln für Hochtemperaturreaktorkomponenten behandelt. Die Richtlinie 2014/68/EU verlangt, dass kriechbezogene Eigenschaften und vorgeschriebene Grenzwerte berücksichtigt werden, wenn Kriechen für die Auslegung von Druckgeräten von Bedeutung ist. NUREG/CR-6150 der U.S. Nuclear Regulatory Commission, veröffentlicht 1994, behandelt die Verfahren nach Larson-Miller und Manson-Haferd zur Modellierung von Kriechbruchschäden. Solche Parameter strukturieren Versuchsdaten; sie machen jedoch nicht die Prüfung überflüssig, ob das gealterte Gefüge noch mit dem des geprüften Werkstoffs vergleichbar ist.

Stahlfamilien für den kriechbeständigen Einsatz

Das National Institute for Materials Science (NIMS) ordnet Langzeitdaten im Creep Data Sheet in vier praxisbezogene Stahlgruppen ein: Kohlenstoffstähle, niedriglegierte Stähle, hochchromhaltige Stähle und austenitische hitzebeständige Stähle. Diese Kategorien spiegeln unterschiedliche Verfestigungsmechanismen und Phasenstrukturen wider, nicht eine einfache Abstufung von schwach zu stark. Ein Stahl kann bei einer bestimmten Temperatur seine Zugfestigkeit beibehalten und dennoch eine unzulässige Dehnung akkumulieren, oder er kann eine moderate Kriechverformung zeigen, aber durch einen umgebungsunterstützten oder mikrostrukturell veränderten Bruchmechanismus versagen.

Kriechen ist eine zeitabhängige Verformung unter anhaltender Spannung und Temperatur. Beim Zeitstandbruch und beim Kriechbruch steht dagegen die Zeit bis zum Bruch im Vordergrund, obwohl sich Prüfungen und Daten häufig überschneiden. ASTM E139-11(2018) legt Verfahren zur Messung der zeitabhängigen Verformung bei Kriechprüfungen mit konstanter Kraft und konstanter Temperatur sowie der Zeit bis zum Bruch bei Zeitstandbruchprüfungen fest. Die Unterscheidung ist von Bedeutung, weil eine Konstruktion ihre zulässige Dehnung vor dem Bruch erreichen kann, während ein anderes Bauteil bis zu einem plötzlichen Versagen an den Korngrenzen maßhaltig bleiben kann.

Kohlenstoffstähle und niedriglegierte Stähle

Kohlenstoffstähle und niedriglegierte Stähle bilden das Ende der Datenbank von NIMS mit dem niedrigsten Legierungsgehalt. Ihre Gefüge enthalten üblicherweise Ferrit mit Perlit, Bainit oder angelassenen Produkten, die während des Normalisierens und Anlassens entstehen. Zusätze von Molybdän, Chrom, Mangan und teilweise Vanadium oder Nickel verändern das Umwandlungsverhalten, die Karbidpopulationen, die Härtbarkeit und die Beständigkeit gegen Erweichung. Die durch diese Gefüge erzielbare Verfestigung ist bei mäßig erhöhten Temperaturen nützlich, nimmt jedoch ab, sobald Erholung, Karbidvergröberung und Diffusion beschleunigt ablaufen.

Kohlenstoffstahl verliert bei Temperatur nicht jegliche Gebrauchstauglichkeit; seine Grenzen hängen von Spannung, Einwirkungsdauer, Wanddicke und der zulässigen Verformung ab. NUREG/CR-6150, das 1994 von der U.S. Nuclear Regulatory Commission veröffentlicht wurde, beschreibt Berechnungen zur Kriechbruchschädigung unter Verwendung der Larson-Miller- und Manson-Haferd-Parameter für Werkstoffe einschließlich Kohlenstoffstahl und nichtrostendem Stahl. Solche Parameter sind Werkzeuge für Extrapolationen und kein Ersatz für die Überprüfung des Prüfbereichs, des Versagensmechanismus und der anwendbaren Auslegungsregeln.

Niedriglegierte Stähle können den nutzbaren Temperaturbereich durch Mischkristallverfestigung und stabilere Karbidverteilungen erweitern. Ihre Eigenschaften hängen weiterhin stark vom Anlasszustand ab. Ein normalisiertes und angelassenes Blech, ein vergütetes Schmiedestück und ein nahtloses Rohr mit einer anderen Abkühlungsgeschichte können zwar dieselbe nominelle Gütebezeichnung tragen, aber unterschiedliche vorherige Austenitkorngrößen, Bänderungen, Eigenspannungen und Ausscheidungsverteilungen aufweisen. Das Schweißen bringt eine weitere Variable hinzu: Die Wärmeeinflusszone kann eine andere Härte und Karbidstruktur als der Grundwerkstoff besitzen und die Langzeitverformung oder den Zeitstandbruch bestimmen.

Die Betriebsgeschichte setzt den metallurgischen Prozess nach der Fertigung fort. Langanhaltende Erwärmung kann Perlit kugelig umwandeln, Karbide vergröbern, die Graphitbildung in anfälligen Kohlenstoffstählen fördern und die Festigkeit verringern. Wiederholte An- und Abfahrvorgänge verursachen eine Kriechermüdungsschädigung und nicht nur stationäres Kriechen. Dampf, Verbrennungsprodukte, Wasserstoff, Schwefel und oxidierende Gase können außerdem die Oberfläche verändern und Defekte einführen, die durch eine Prüfung unter inerter Atmosphäre nicht erfasst werden.

Hochchromhaltige ferritische Stähle und kriechfestigkeitssteigernde Stähle

Hochchromhaltige ferritische Stähle nutzen Chrom zur Oxidationsbeständigkeit und Legierungszusätze zur Steuerung der Umwandlungen sowie zur Ausscheidungsverfestigung. Herkömmliche Chromstähle mit 9–12 % Chrom und kriechfestigkeitssteigernde ferritische Stähle besitzen angelassene martensitische Gefüge mit einer Hierarchie von Grenzflächen und Partikeln. Grade 91, üblicherweise in den einschlägigen Druckgerätespezifikationen als P91 für Rohre und T91 für Rohrleitungen bezeichnet, ist ein 9Cr-1Mo-V-Nb-Stahl. Sein Langzeitverhalten hängt von einem angelassenen Martensit-Lattengefüge ab, das durch chromreiche Karbide, üblicherweise als M23C6 bezeichnet, sowie feine, Vanadium und Niob enthaltende MX-Karbonitrid-Ausscheidungen stabilisiert wird.

Der Datensatz von NIMS für Grade 91 veranschaulicht, warum eine einzige Angabe zur „Hochtemperaturfestigkeit“ irreführend ist. Die Aufzeichnungen decken 450 bis 725 °C und 30 bis 450 MPa ab; die Zeitstandbruchfestigkeit wird für 100, 1.000, 10.000 und 100.000 Stunden angegeben (NIMS, 2024). Die Rangfolge der Spannungen kann sich mit Zeit und Temperatur ändern, weil sich die Latten erholen, die Ausscheidungen vergröbern und die Grenzflächen ihre Fähigkeit verlieren, der Versetzungsbewegung zu widerstehen. Bei niedriger Spannung und langer Einwirkungsdauer können diese Veränderungen die ursprüngliche Festigkeit bei Raumtemperatur dominieren.

Die Wärmebehandlung ist bei Grade 91 kein nebensächliches Fertigungsdetail. Das Normalisieren erzeugt das martensitische Ausgangsgefüge; das Anlassen steuert Härte, Eigenspannung und Ausscheidungsentwicklung. Übermäßiges Anlassen, falsches Austenitisieren oder unzureichendes Abkühlen können ein Gefüge erzeugen, das außerhalb der zugrunde gelegten Werkstoffbasis liegt. Schweißreparaturen und Wärmezyklen bei der Fertigung sind besonders wichtig. Der feinkörnige Bereich der Wärmeeinflusszone kann beschleunigtem Kriechen und Rissbildung des Typs IV ausgesetzt sein, selbst wenn das Grundblech oder Grundrohr seine Kurzzeitspezifikation erfüllt.[3][3] Wilshire-equation and continuum-damage-mechanics study of P91 steel. Authors to be verified against the linked record. U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information record, 2022. U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information linked record

ASTM A1091/A1091M behandelt Gussstücke aus kriechfestigkeitssteigerndem ferritischem Legierungsstahl Grade C91 für druckhaltende Teile. Das Werkstoffkonzept der Norm beruht auf einem angelassenen martensitischen oder bainitischen Gefüge, das durch ausgeschiedene Partikel stabilisiert wird. Das Gießen bringt eigene Probleme mit sich, darunter Seigerungen, Unterschiede in der Abkühlung von Bereich zu Bereich, Porosität und örtliche Unterschiede in der Partikelverteilung. Ein Gussteil kann daher nicht allein anhand seiner nominellen chemischen Zusammensetzung bewertet werden.

Eine im Jahr 2022 vom U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information erfasste Studie kombinierte Wilshire-Gleichungen mit der Kontinuumsschädigungsmechanik, um die Kriechverformung, die minimale Kriechrate, die Schädigung und die Zeitstandbruchlebensdauer von P91-Stahl vorherzusagen. Dieser Ansatz spiegelt die praktische Notwendigkeit wider, mehrere Ergebnisgrößen gleichzeitig zu modellieren. K. Natesans IAEA-Diskussion zu Grade 91 nennt ebenfalls zyklische Erweichung, Dehnratenabhängigkeit, thermische Alterung, Umwelteinflüsse und mikrostrukturelle Veränderungen als Variablen bei der Auslegung gegen Kriechermüdung.

Austenitische hitzebeständige Stähle

Austenitische hitzebeständige Stähle beruhen auf einer kubisch-flächenzentrierten Matrix, die hauptsächlich durch Nickel stabilisiert wird, während Chrom die Oxidationsbeständigkeit gewährleistet. Zu den gängigen Werkstofffamilien für Druckgeräte und Kraftwerke gehören 304H, 316H, 321H, 347H und höherlegierte Güten wie 310H, wobei die jeweils geltenden Produkt- und Konstruktionsnormen die genaue Bezeichnung und die zulässige Verwendung bestimmen. Ihre austenitische Phase bleibt über einen breiten Temperaturbereich stabil, und ihre geringe Umwandlungsneigung unterstützt den Einsatz unter Bedingungen, bei denen ferritische Stähle phasenbedingte Veränderungen durchlaufen würden.

Die Kriechfestigkeit beruht auf Mischkristalleffekten und Ausscheidungen. Kohlenstoff, Stickstoff, Niob, Titan und kontrollierte Borgehalte können Karbide, Karbonitride und das Verhalten an Korngrenzen beeinflussen. Bei stabilisierten Güten wie 321H und 347H bindet Titan beziehungsweise Niob den Kohlenstoff; während der Einwirkung können jedoch weiterhin eine Umverteilung der Karbide, eine mit Sensibilisierung verbundene Chromverarmung, eine Sigma-Phase bei anfälligen Zusammensetzungen oder Veränderungen an den Korngrenzen entstehen. Kaltverformung kann die Anfangsfestigkeit erhöhen und zugleich die gespeicherte Energie sowie das Rekristallisationsrisiko während des Betriebs steigern.

Austenitische Stähle weisen außerdem eine höhere Wärmeausdehnung und eine geringere Wärmeleitfähigkeit als ferritische Güten auf. Diese Eigenschaften beeinflussen die Wärmespannung, die Zwangsbedingungen, die Schweißkonstruktion und das Zusammenwirken von Kriechen und Ermüdung. Die Produktform ist von Bedeutung: Blech, Platte, Rohr, Stab, Schmiedestück und Gussteil unterliegen unterschiedlichen Wärmebehandlungen und können verschiedene Korngrößen oder Texturen aufweisen. Ein langer Betrieb kann all diese Werkstoffe durch Alterung, Oxidation, Aufkohlung, Nitrierung oder Metallstaubbildung weiter verändern.

Für die Auslegung müssen Messdaten anhand der maßgebenden Regeln interpretiert und nicht anhand der Gütebezeichnung ausgewählt werden. NIST bezeichnet Zeitstandbruchdaten als eine wichtige Kategorie mechanischer Werkstoffdaten, die zur Bewertung von Metallen bei erhöhten Temperaturen benötigt werden. ASME BPVC Section II, Part D stellt Auslegungskennwerte für Werkstoffe bereit, während Section III, Division 5 Konstruktionsregeln für Hochtemperaturreaktorkomponenten enthält. Auch die Richtlinie 2014/68/EU der Europäischen Union verlangt, dass kriechbezogene Eigenschaften und vorgeschriebene Grenzwerte berücksichtigt werden, wenn Kriechen von Bedeutung ist. Temperatur, Spannung, Dauer, Umgebung, Fertigungszustand und Betriebsgeschichte bestimmen, welcher Teil der Daten anwendbar ist.

Grade 91 und P91: Die Evidenz richtig bewerten

Bezeichnungen von 9Cr-1Mo-V-Nb-Stählen

„Grade 91“ bezeichnet eine Familie ferritischer, kriechfestigkeitsverbesserter Stähle und nicht einen einheitlichen, universellen Produktzustand. Die übliche chemische Zusammensetzung wird als 9Cr-1Mo-V-Nb beschrieben: ungefähr 9 % Chrom sowie Molybdän, Vanadium und Niob, ergänzt durch kontrollierte Zugaben von Stickstoff und Kohlenstoff. Die nutzbare Hochtemperaturfestigkeit ergibt sich aus mehr als nur der nominellen chemischen Zusammensetzung. Das angelassene martensitische Gefüge enthält eine feine Verteilung von Ausscheidungen, darunter chromreiche Karbide und vanadium- und niobhaltige Carbonitride des MX-Typs. Diese Partikel behindern die Versetzungsbewegung, während das Lattengefüge und seine Grenzen einen zusätzlichen Widerstand gegen Kriechverformung bieten.

Die Bezeichnung ändert sich mit der Produktspezifikation. ASTM A213 verwendet T91 für nahtlose ferritische und austenitische Kessel-, Überhitzer- und Wärmetauscherrohre aus legiertem Stahl. ASTM A335 verwendet P91 für nahtlose Rohre aus ferritischem legiertem Stahl, die für den Einsatz bei hohen Temperaturen vorgesehen sind. ASTM A387 verwendet Grade 91 für Bleche für Druckbehälter. ASME-Werkstoffspezifikationen können diese Bezeichnungen als SA-213 T91, SA-335 P91 und SA-387 Grade 91 wiedergeben.

Diese Unterscheidung ist wichtig. „P91“ bezeichnet üblicherweise ein Rohrprodukt oder ein Bauteil, das als P91 hergestellt und spezifiziert wurde; die Bezeichnung gilt nicht automatisch für jede Probe aus 9Cr-1Mo-V-Nb. „Grade 91“ wird häufig als umfassendere Bezeichnung einer Werkstofffamilie verwendet, insbesondere bei Erörterungen von Blechen, Rohren sowie normalisierten und angelassenen Stählen. Ein Prüfbericht, in dem lediglich „Grade 91“ steht, enthält noch nicht genügend Informationen, um die Gleichwertigkeit mit einem im Betrieb eingesetzten P91-Rohr festzustellen. Schmelzennummer, Produktform, Wanddicke, Herstellungsverfahren, Schweißzustand, Austenitisierungsbehandlung, Anlassbehandlung und Wärmebehandlung nach dem Schweißen können das Ergebnis jeweils verändern.

Dieselbe Vorsicht gilt für C91. ASTM A1091/A1091M behandelt Gussstücke der Güte C91 aus ferritischem, kriechfestigkeitsverbessertem legiertem Stahl für druckführende Teile. C91 ist nicht einfach eine andere Schreibweise für P91. Erstarrung des Gussgefüges, Entmischung, Querschnittsgröße und Wärmebehandlung schaffen eine andere Evidenzgrundlage, selbst wenn der angestrebte Mechanismus der Kriechfestigkeit auf einem angelassenen martensitischen oder bainitischen Gefüge beruht, das durch ausgeschiedene Partikel stabilisiert wird.

Daten zu Rohren, Blechen und Rohrleitungen

Die Datenbank der National Institute for Materials Science (NIMS) für Kriechdaten bietet ein nützliches zentrales Beispiel, da sie systematisch erhobene Langzeitdaten für Kohlenstoffstähle, niedriglegierte Stähle, hochchromhaltige Stähle und austenitische warmfeste Stähle getrennt erfasst. Ihr Datensatz von 2024 für 9Cr-1Mo-V-Nb steel umfasst Rohre, Bleche und Rohrleitungen. Der geprüfte Temperaturbereich beträgt 450 bis 725 °C, der Spannungsbereich 30 bis 450 MPa. Die Zeitstandfestigkeit wird für 100, 1.000, 10.000 und 100.000 Stunden angegeben.

Diese Berichtsintervalle sind keine vier austauschbaren „Festigkeitswerte“. Jeder Wert repräsentiert eine extrapolierte oder beobachtete Position auf einer zeitabhängigen Beziehung zwischen Spannung, Temperatur, Verformung und Bruch. Eine Spannung, die 100 Stunden lang ertragen wird, kann bei 100.000 Stunden unzulässig sein. Bei konstanter Spannung beschleunigt eine steigende Temperatur die Verformung und Schädigung; bei konstanter Temperatur kann eine Verringerung der Spannung die erwartete Bruchzeit um mehrere Größenordnungen verändern. NIMS liefert daher ein Evidenzfeld und keine einzelne Grade-91-Bewertung.

Die Unterscheidung zwischen Kriechen und Zeitstandbruch muss klar bleiben. ASTM E139-11(2018), herausgegeben von ASTM International, legt Verfahren zur Messung der Verformung als Funktion der Zeit bei Kriechversuchen sowie der Zeit bis zum Bruch bei Kriechbruch- und Spannungsbruchversuchen unter konstanter Zugkraft und Temperatur fest. Bei einem Kriechversuch kann die Dehnung im Vordergrund stehen, einschließlich der minimalen Kriechrate und des Übergangs vom primären zum sekundären und tertiären Kriechen. Bei einem Bruchversuch stehen die Zeit bis zum Bruch, die Bruchdehnung, die Brucheinschnürung und die Bruchlage im Vordergrund. Ein Werkstoff kann eine akzeptable Bruchlebensdauer aufweisen und dennoch vor dem Bruch eine unzulässige Dehnung akkumulieren. Umgekehrt kann ein Bauteil einen Verformungsgrenzwert überschreiten, ohne sich einem Zugbruch zu nähern.

NIST bezeichnet Zeitstandbruchdaten als eine wesentliche Klasse mechanischer Werkstoffdaten, die zur Bewertung von Metallen bei erhöhten Temperaturen benötigt werden. Deshalb sollten die NIMS-Intervalle unter Berücksichtigung der Prüfdefinitionen, Probenabmessungen, Wärmebehandlung und Versagenskriterien gelesen werden. Sie sind kein Ersatz für die Tabellen zulässiger Spannungen eines Auslegungscodes.

Ergebnisse für Rohre, Bleche und Rohrleitungen sollten nicht unkritisch zusammengeführt werden. Rohre werden häufig durch Lochen, Strangpressen oder Kaltumformen hergestellt und anschließend einer Lösungsglüh- und Anlassbehandlung unterzogen; ihre Verformungsgeschichte und Wanddickengradienten können sich von denen warmgewalzter Bleche unterscheiden. Rohrleitungen können nahtlos oder geschweißt sein und dadurch unterschiedliche Eigenspannungen, Geometrien und Prüfanforderungen aufweisen. Bleche besitzen eine eigene Walztextur, eine Variation über die Wanddicke und Effekte der Querschnittsgröße. Selbst wenn alle drei Produktformen eine nominelle Grade-91-Zusammensetzung erfüllen, können sich ihre ehemalige Austenitkorngröße, die Anordnung der martensitischen Latten, die Ausscheidungspopulation und die Verteilung von Verunreinigungen unterscheiden.

Auch die Ausrichtung der Probe ist von Bedeutung. Eine längs zur Rohrachse entnommene Rohrprobe repräsentiert nicht zwangsläufig eine quer zur Walzrichtung entnommene Blechprobe, während eine kleine Laborprobe möglicherweise nicht die thermische Vorgeschichte eines dickwandigen Druckbauteils wiedergibt. Schweißgut und Wärmeeinflusszonen erfordern eine gesonderte Evidenz. Typ-IV-Risse, die sich bei bestimmten Grade-91-Schweißverbindungen nahe dem Rand der feinkörnigen Wärmeeinflusszone entwickeln, können die Lebensdauer im Betrieb bestimmen, selbst wenn das Grundmaterial eine ausreichende Zeitstandfestigkeit besitzt.

Warum Produktform und Wärmebehandlung die Ergebnisse beeinflussen

Grade 91 ist auf einen sorgfältig kontrollierten normalisierten und angelassenen Zustand angewiesen. Durch das Normalisieren wird das ehemalige Austenitgefüge gebildet; das Anlassen baut einen Teil der Spannungen ab und stellt die Population der Karbide und Carbonitride ein, die zur Langzeitfestigkeit beiträgt. Übermäßiges Anlassen kann Ausscheidungen vergröbern und den Widerstand gegen Kriechen verringern. Unzureichendes Anlassen kann eine übermäßige Härte, Eigenspannungen und eine erhöhte Rissanfälligkeit hinterlassen. Die maßgebliche Temperatur, Haltezeit, Abkühlgeschwindigkeit und Querschnittsdicke gehören daher bei jedem ernsthaften Vergleich neben die Gütebezeichnung.

Auch eine langfristige Beanspruchung verändert das Gefüge. Karbidreaktionen, Vergröberung von Ausscheidungen, Erholung der Latten, thermische Alterung, zyklische Erweichung und Umwelteinflüsse verändern sowohl die minimale Kriechrate als auch die Bruchlebensdauer. Die von K. Natesan vorgelegte IAEA-Erörterung der Kriechermüdungsauslegung für Grade 91 nennt die Abhängigkeit von der Dehnrate, zyklische Erweichung, thermische Alterung, Umwelteinflüsse und Gefügeänderungen als miteinander wechselwirkende Faktoren. Eine Zeitstandbruchkurve bei konstanter Belastung kann nicht alle diese Faktoren erfassen.

Die 2022 über das U.S. Department of Energy veröffentlichte Studie zur Kontinuumsschädigungsmechanik auf Wilshire-Basis veranschaulicht das Modellierungsproblem: Ihr Modell kombiniert Wilshire-Gleichungen mit der Kontinuumsschädigungsmechanik, um Kriechverformung, minimale Kriechrate, Schädigung und Zeitstandbruchlebensdauer für P91-Stahl vorherzusagen. Ein solches Modell ist informativer als die Anpassung einer einzigen geraden Linie an Bruchpunkte, hängt jedoch weiterhin vom Werkstoffzustand und von gültigen Kalibrierungsdaten ab. Die in U.S. Nuclear Regulatory Commission NUREG/CR-6150 (1994) zur Modellierung von Zeitstandbruchschäden erörterten Larson-Miller- und Manson-Haferd-Parametermethoden verdichten das Temperatur-Zeit-Verhalten ebenfalls in nützliche ingenieurtechnische Formen; sie beseitigen jedoch nicht die Unsicherheit der Extrapolation.

Auslegungsregeln entscheiden letztlich darüber, wie Laborbefunde in eine zulässige Spannung oder eine Lebensdauergrenze überführt werden. ASME BPVC Section II, Part D enthält Auslegungskennwerte für Werkstoffe, während ASME Section III, Division 5 Konstruktionsregeln für Hochtemperaturreaktorkomponenten behandelt. Die Richtlinie 2014/68/EU verlangt, dass kriechbezogene Eigenschaften und vorgeschriebene Grenzwerte berücksichtigt werden, wenn Kriechen bei der Auslegung von Druckgeräten von Bedeutung ist. Die sachlich belastbare Frage lautet daher nicht: „Wie fest ist Grade 91?“ Sie lautet: Welches Produkt liegt in welchem wärmebehandelten Zustand vor, bei welcher Temperatur und Spannung, über welchen Zeitraum, unter welchem Verformungs- und Bruchkriterium und nach welchen Auslegungsregeln wird es bewertet?

Kriechprüfung nach ASTM E139

ASTM E139-11(2018), veröffentlicht von ASTM International, legt Verfahren zur Bestimmung der zeitabhängigen Verformung metallischer Werkstoffe unter anhaltender Zugbelastung und erhöhter Temperatur fest. Die Norm umfasst außerdem Zeitstandbruch- und Spannungsbruchprüfungen, bei denen das wichtigste Ergebnis die bis zum Bruch verstrichene Zeit ist. Die Prüfung liefert daher eine kontrollierte Werkstoffreaktion, jedoch keinen universellen Wert für die „Hochtemperaturfestigkeit“.

Diese Unterscheidung ist wichtig. Eine Kriechprüfung kann zeigen, wie schnell sich eine Probe verlängert, ob ihre Verformungsgeschwindigkeit abnimmt oder zunimmt und wann ein Bruch eintritt. Sie garantiert jedoch nicht, dass ein Druckbehälter, Rohr, Gussstück, eine Schweißnaht oder ein Turbinenbauteil denselben Zeitraum übersteht. Die Betriebsbedingungen können mehrachsige Spannungen, Temperaturgradienten, Schweißrestspannungen, Oxidation, Korrosion, Schwingungen, Lastwechsel, Anfahr- und Abfahrtransienten sowie örtliche Spannungskonzentrationen infolge der Geometrie umfassen. ASTM E139 kontrolliert wichtige Variablen, kann jedoch nicht jedes Merkmal eines im Betrieb befindlichen Bauteils nachbilden.

Prüfprobe, Belastung und Temperaturregelung

Die Prüfung beginnt mit einer mechanisch bearbeiteten Zugprobe, die aus einer definierten Erzeugnisform, Entnahmerichtung, Schmelze und einem definierten Zustand entnommen wird. Durchmesser oder Dicke, Messlänge, Oberflächenbeschaffenheit und jede Wärmebehandlung müssen dokumentiert werden, da diese Einzelheiten sowohl die Verformung als auch den Bruch beeinflussen. Ein Rohr, Blech und nahtloses Rohr aus Grade 91 können eine unterschiedliche Vorverarbeitung, Textur, Wanddicke und Mikrostruktur aufweisen, selbst wenn sie sämtlich als 9Cr-1Mo-V-Nb-Stahl bezeichnet werden. Ergebnisse einer Erzeugnisform sollten ohne metallurgische und konstruktive Begründung nicht auf eine andere übertragen werden.

Die Probe wird in eine Kriechprüfmaschine eingespannt, die eine anhaltende Zugkraft aufbringt. ASTM E139 beschreibt Prüfungen bei konstanter Zugkraft und Temperatur; die angegebene Nennspannung wird aus der festgelegten anfänglichen Querschnittsfläche und der aufgebrachten Kraft berechnet. Die Maschine muss die Kraft ohne unbeabsichtigte Entspannung, Stoßbelastung oder wesentliche Exzentrizität halten. Die Ausrichtung ist entscheidend. Eine der Zugspannung überlagerte Biegung kann die Verformung auf einer Seite des Messbereichs beschleunigen und zu einer irreführend kurzen Bruchzeit führen.

Die Temperaturregelung ist ebenso wichtig. Ein Ofen umgibt die Messlänge, während kalibrierte Thermoelemente die Probe oder deren unmittelbare Umgebung überwachen. Der Prüfbericht sollte die Zieltemperatur, die gemessene Temperatur, die Temperaturtoleranz, die Positionen der Thermoelemente, gegebenenfalls die Aufheizgeschwindigkeit sowie den Zeitpunkt angeben, zu dem die Probe den Prüfzustand erreicht hat. Wenige Grad können Diffusion, Erholung, Ausscheidungsstabilität und Kriechgeschwindigkeit beeinflussen, insbesondere bei langen Expositionszeiten. Die Temperaturgleichmäßigkeit entlang der Messlänge muss nachgewiesen und darf nicht lediglich vorausgesetzt werden. Ein heißes und ein kaltes Ende erzeugen einen ungleichmäßigen Spannungs-Temperatur-Verlauf, der durch die nominale Prüftemperatur nicht repräsentiert wird.

Die angegebene Spannung und Temperatur bestimmen das Ergebnis. Der Datensatz des NIMS Grade 91 Creep Data Sheet aus dem Jahr 2024 veranschaulicht diesen Punkt: Er umfasst 9Cr-1Mo-V-Nb-Stahl im Bereich von 450 bis 725 °C und 30 bis 450 MPa; die Zeitstandbruchfestigkeit wird für 100, 1.000, 10.000 und 100.000 Stunden angegeben. Diese Werte bilden eine strukturierte Karte einer bestimmten Legierungsfamilie, eines bestimmten Werkstoffzustands, Spannungsbereichs, Temperaturbereichs und Prüfverfahrens ab. Sie stellen nicht eine einzige Werkstoffeigenschaft von Grade 91 dar.

Dehnungsmessung und Aufzeichnungen der Bruchzeit

Bei einer Kriechprüfung wird die Verlängerung als Funktion der Zeit aufgezeichnet. Die daraus entstehende Kurve umfasst typischerweise das primäre Kriechen, bei dem die Verformungsgeschwindigkeit abnimmt, das sekundäre oder stationäre Kriechen, bei dem die Geschwindigkeit relativ konstant ist, sowie das tertiäre Kriechen, bei dem Schädigung und beschleunigte Verformung dem Bruch vorausgehen. Die Grenzen zwischen diesen Stadien sind keine festen Werkstoffkonstanten. Sie verschieben sich mit Spannung, Temperatur, Probenzustand, Umgebung und dem gewählten Messverfahren.

Ein Extensometer misst die Verlängerung der Messlänge, üblicherweise über Stäbe oder andere an der Probe anliegende Elemente. Seine Messlänge, Auflösung, Kalibrierung, Temperaturtauglichkeit, Befestigungsart und der Zeitpunkt seiner Entfernung müssen dokumentiert werden. Bei einigen Langzeitprüfungen wird das Extensometer vor der tertiären Verformung oder dem Bruch entfernt, um das Gerät zu schützen. In diesem Fall muss der Bericht die Änderung der Messpraxis ausweisen und zwischen direkt gemessener Dehnung und späteren Beobachtungen, beispielsweise der endgültigen Bruchdehnung, unterscheiden.

Der Datensatz sollte die verstrichene Zeit, Verlängerung oder Dehnung, Kraft, Probentemperatur und den relevanten Gerätestatus enthalten. Die Abtastintervalle müssen den frühen transienten Verlauf erfassen, ohne über Tausende von Stunden einen unhandhabbar großen Datensatz zu erzeugen. Eine einzelne aus einer Kurve ermittelte Mindestkriechgeschwindigkeit ist weniger aussagekräftig als die Kurve selbst, insbesondere wenn der Werkstoff ein langes primäres Stadium oder ein abruptes tertiäres Stadium zeigt.

Bei einer Zeitstandbruch- oder Spannungsbruchprüfung werden die Zeit bis zum Bruch sowie die Bruchposition und die Bruchart aufgezeichnet. Die „Bruchlebensdauer“ ist nicht dasselbe wie die zulässige Betriebsdauer. Eine Probe kann durch örtliche Einschnürung, innere Kavitation, interkristalline Rissbildung, oxidationsunterstützte Rissbildung oder eine Kombination von Mechanismen versagen, die sich von der erwarteten Versagensart des Bauteils unterscheidet. Die endgültige Bruchdehnung, die Brucheinschnürung, das Bruchaussehen und metallografische Untersuchungen helfen zu bestimmen, was die aufgezeichnete Zeit tatsächlich darstellt.

Aus diesem Grund bezeichnet NIST Zeitstandbruchdaten als eine wesentliche Klasse mechanischer Werkstoffinformationen für die Bewertung von Metallen bei erhöhter Temperatur, während Konstruktionsregeln eine weitergehende Interpretation erfordern. ASME BPVC Section II, Part D enthält Auslegungswerte für Werkstoffe, und ASME Section III, Division 5 behandelt Regeln für die Konstruktion von Hochtemperaturreaktoren. Die Richtlinie 2014/68/EU der Europäischen Union verlangt ebenfalls, dass kriechbezogene Eigenschaften und vorgeschriebene Grenzwerte berücksichtigt werden, wenn Kriechen für die Auslegung von Druckgeräten von Bedeutung ist.

Wiederholbarkeit, Unterbrechungen und Datenqualität

Die Wiederholbarkeit hängt von mehr ab, als zwei Proben bei derselben nominalen Spannung und Temperatur zu prüfen. Die Proben sollten aus vergleichbarem Werkstoff stammen, dieselbe Vorbereitung erhalten und gleichwertige Belastungs- und Aufheizverläufe durchlaufen. Unterschiede in Korngröße, Anlasszustand, Ausscheidungsverteilung, Entkohlung, vorausgegangener Kaltverformung oder Schweißnahtposition können eine tatsächliche Streuung verursachen. Gussstücke aus Grade C91, die unter ASTM A1091/A1091M fallen, beruhen beispielsweise auf einem angelassenen martensitischen oder bainitischen Gefüge und stabilisierenden ausgeschiedenen Partikeln; geringfügige Änderungen der Verarbeitung können die Langzeitfestigkeit verändern.

Jede Unterbrechung erfordert eine Aufzeichnung. Stromausfall, Überschwingen des Ofens, Entfernung des Extensometers, Kraftabfall, Austausch eines Thermoelements, Abschalten der Maschine oder vorübergehende Entlastung können den Verformungsverlauf verändern. Der Bericht sollte Datum und Dauer, Spannung und Temperatur vor und nach dem Ereignis, den Grund für die Unterbrechung sowie die Angabe enthalten, ob die Prüfung fortgesetzt wurde. Eine wieder gestartete Prüfung ist nicht automatisch einer ununterbrochenen Exposition gleichwertig.

Bei der Qualitätsprüfung sollten die Kanäle für Kraft, Temperatur, Dehnung und verstrichene Zeit auf Lücken oder unplausible Sprünge verglichen werden. Die Probe sollte nach dem Versagen untersucht werden, und Abweichungen von ASTM E139 sollten angegeben und nicht in einer Fußnote verborgen werden. Auch die Langzeitextrapolation erfordert Zurückhaltung. NUREG/CR-6150 behandelt Larson-Miller- und Manson-Haferd-Parameterverfahren für die Modellierung von Zeitstandbruchschädigung, doch solche Parameter fassen Prüfdaten zusammen; sie beseitigen nicht die Unsicherheit hinsichtlich der mikrostrukturellen Alterung, der Umwelteinwirkung oder sich verändernder Betriebsspannungen. Eine im Jahr 2022 veröffentlichte Untersuchung zu P91-Stahl auf Grundlage von Wilshire- und Kontinuumsschädigungsmechanik zielte darauf ab, Kriechverformung, minimale Kriechgeschwindigkeit, Schädigung und Spannungsbruchlebensdauer vorherzusagen. Dies zeigt, warum Verformung und Bruch getrennt behandelt werden müssen.

Die belastbare Aussage aus einem Ergebnis nach ASTM E139 ist bedingt: Diese Probe in diesem Werkstoffzustand hielt diese angegebene Zugspannung bei dieser gemessenen Temperatur nach diesem Verfahren aus und zeigte dabei diesen Verformungsverlauf oder diese Bruchzeit. Jede weitergehende Aussage erfordert Belege aus zusätzlichen Prüfungen und einer anwendbaren Konstruktionsregel.

Von Kriechkurven zur Auslegungsspannung

Mindestkriechrate und Zeitstandbruchfestigkeit

Eine Kriechkurve stellt die Dehnung in Abhängigkeit von der Zeit bei einer festgelegten Temperatur und einer aufgebrachten Spannung dar. Ihre bekannten primären, sekundären und tertiären Stadien sind nützliche Beschreibungen, stellen jedoch keine austauschbaren Auslegungseigenschaften dar. Die Mindestkriechrate, die gewöhnlich während des relativ stationären sekundären Stadiums gemessen wird, gibt an, wie schnell sich in einem Bauteil eine bleibende Verformung akkumuliert. Die Zeitstandbruchfestigkeit beschreibt dagegen die Spannung, die nach einer angegebenen Dauer zum Bruch führt. Ein Stahl kann daher eine akzeptable Zeitstandbruchlebensdauer aufweisen und sich dennoch übermäßig verformen oder eine geringe Mindestkriechrate zeigen und trotzdem wegen Fehlstellen, umgebungsbedingter Schädigung oder eines instabilen Gefüges vorzeitig versagen.

ASTM International legt mit ASTM E139-11(2018) den Prüfrahmen für diese Unterscheidungen fest. Die Norm umfasst die Messung der Verformung als Funktion der Zeit bei Kriechversuchen sowie die Messung der Zeit bis zum Bruch bei Zeitstandbruch- und Spannungsbruchversuchen an metallischen Werkstoffen, die bei konstanter Zugkraft und Temperatur gehalten werden. Das Prüfergebnis ist nicht einfach eine „Hochtemperaturfestigkeit“. Es handelt sich um einen Punkt oder eine Kurve, die an Temperatur, Spannung, Probengeometrie, Werkstoffzustand und verstrichene Zeit gebunden ist.

Für einen Werkstoff wie Grade 91 sind diese Einschränkungen von Bedeutung. Die Datenbank „NIMS Creep Data Sheet“ des National Institute for Materials Science (NIMS) enthält systematisch erhobene Ergebnisse für Kohlenstoffstähle, niedriglegierte Stähle, hochchromhaltige Stähle und austenitische warmfeste Stähle. Der Datensatz zu Grade 91 umfasst Rohre, Bleche und Rohrleitungen aus 9Cr-1Mo-V-Nb-Stahl im Temperaturbereich von 450 bis 725 °C und bei Spannungen von 30 bis 450 MPa; die Zeitstandbruchfestigkeit wird für 100, 1.000, 10.000 und 100.000 Stunden angegeben (NIMS, 2024). Diese vier Zeiträume zeigen, weshalb eine für eine 100-Stunden-Prüfung geeignete Spannung nicht ohne Weiteres auf eine Anlagenlebensdauer von 100.000 Stunden übertragen werden kann.

Auch die Form der Kriechkurve gibt Aufschluss über Mechanismen, die ein einzelner Zeitstandbruchpunkt verdeckt. Vergüteter martensitischer Grade 91 ist auf eine feine Verteilung ausgeschiedener Teilchen und ein stabiles Untergefüge angewiesen. Erholung, Reaktionen von Karbiden oder Nitriden, thermische Alterung, zyklische Erweichung und die frühere Fertigungsgeschichte können die Mindestkriechrate während des Betriebs verändern. ASTM A1091/A1091M legt beispielsweise Gussstücke aus ferritischem, kriechfestigkeitsverbessertem legiertem Stahl Grade C91 für drucktragende Teile fest; ihr vergütetes martensitisches oder bainitisches Gefüge wird durch ausgeschiedene Teilchen stabilisiert, die die Zeitstandbruchfestigkeit erhöhen. Dieser Vorteil ist jedoch an Bedingungen geknüpft. Eine Vergröberung der Teilchen und eine Erholung des Untergefüges können ihn bei langer Einwirkung verringern.

Die im Rahmen einer auf Wilshire basierenden Kontinuumschädigungsmechanik-Studie über das Office of Scientific and Technical Information des U.S. Department of Energy veröffentlichte Untersuchung veranschaulicht ein sinnvolleres Modellierungsziel für P91-Stahl: die gemeinsame Vorhersage von Kriechverformung, Mindestkriechrate, Schädigung und Spannungsbruchlebensdauer. Ein solches Modell ist informativer als eine alleinige Anpassung der Bruchlebensdauer, erfordert jedoch weiterhin eine Validierung anhand der relevanten Schmelze, Erzeugnisform, des Spannungsbereichs, der Temperatur und der Belastungsgeschichte. Die Darstellung von K. Natesan zur Kriechermüdungsauslegung von Grade 91 bei der IAEA nennt ebenfalls die Dehnratenabhängigkeit, die thermische Alterung, Umwelteinflüsse, die zyklische Erweichung und Gefügeänderungen als Variablen, die das Betriebsverhalten verändern können.

Zulässige Spannung und zeitabhängige Kriterien

Die Auslegungsspannung wird durch den Vergleich der berechneten Beanspruchungen eines Bauteils mit mehreren Werkstoffgrenzen festgelegt und nicht durch das Ablesen einer einzelnen Zahl aus einer Zugfestigkeitstabelle. Bei erhöhter Temperatur kann ein Regelwerk die Spannung in Abhängigkeit von der zulässigen Gesamtdehnung, der Mindestkriechrate, der Zeitstandbruchlebensdauer, der Streckgrenze oder Dehngrenze, der Ermüdungsschädigung, einer örtlichen Instabilität oder eines vorgeschriebenen Anteils einer zeitabhängigen Werkstoffeigenschaft begrenzen. Der maßgebende Wert kann sich mit der Temperatur und der Auslegungslebensdauer ändern.

Ein dünnwandiger Druckbehälter verdeutlicht den Unterschied. Wenn die Membranspannung niedrig genug ist, um ein sofortiges Fließen zu vermeiden, jedoch eine übermäßige Kriechdehnung verursacht, können Maßtoleranzen, die Ausrichtung von Ventilen oder eine Wanddickenabnahme lange vor einem Bruch unzulässig werden. Umgekehrt kann ein dickwandiger Bereich ein Dehnungsgrenzkriterium erfüllen, während eine Kerbe, eine Wärmeeinflusszone einer Schweißnaht oder ein mehrachsiger Spannungszustand die Bruchbewertung bestimmt. Knicken und plastische Instabilität können ebenfalls maßgebend werden, bevor entweder ein Kriechdehnungs- oder ein Bruchkriterium erreicht ist.

Die Richtlinie 2014/68/EU der Europäischen Union, die Druckgeräterichtlinie, fordert, dass kriechbezogene Werkstoffeigenschaften und vorgeschriebene Grenzwerte berücksichtigt werden, wenn Kriechen bei der Auslegung von Druckgeräten von Bedeutung ist. Die entscheidende Frage lautet daher nicht lediglich, ob eine Werkstoffgüte als warmfest bezeichnet wird. Der Konstrukteur muss feststellen, welche Daten zu ferritischen oder austenitischen Stählen gelten, welche Temperatur und Dauer maßgebend sind und welche Versagensarten durch das Konformitäts- und Auslegungsverfahren berücksichtigt werden müssen.

ASME weist diese Aufgabe kodex- bzw. regelwerkspezifischen Vorschriften und tabellierten Eigenschaften zu, anstatt sie einer uneingeschränkten Extrapolation von Laborkurven zu überlassen. ASME BPVC Section II, Part D enthält Auslegungskennwerte für Werkstoffe, während ASME BPVC Section III, Division 5 Konstruktionsregeln für Hochtemperaturreaktorkomponenten enthält. Diese Regelwerke können Grenzwerte auf der Grundlage der zulässigen Spannung, der Kriechdehnung, der Ermüdung, der Wechselwirkung von Kriechen und Ermüdung, der Betriebsdauer und der Schädigungsakkumulation festlegen. Ihre Werte dürfen nicht regelwerksübergreifend ersetzt werden: Eine nach einer bestimmten Regel berechnete zulässige Spannung ist nicht automatisch nach der Druckgeräterichtlinie oder einem kerntechnischen Regelwerk für die Errichtung zulässig.

NIST bezeichnet Zeitstandbruchdaten als eine wichtige Klasse mechanischer Werkstoffdaten, die zur Bewertung von Metallen bei erhöhter Temperatur benötigt werden. Deshalb sind Datenbanken wie NIMS wertvoll: Sie bewahren die mit jedem Ergebnis verbundenen Angaben zu Zeit, Temperatur, Spannung, Erzeugnisform und Werkstoffbezeichnung. Sie ersetzen nicht das ingenieurtechnische Urteil. Sie machen jedoch die Grundlage dieses Urteils sichtbar.

Sicherheitsmargen und Grenzen der Extrapolation

Eine Sicherheitsmarge ist kein universeller Prozentsatz, der nach einer Prüfung angewendet wird. Sie spiegelt Unsicherheiten hinsichtlich der Streuung der Werkstoffeigenschaften, der Temperaturmessung, der Spannungsanalyse, der Schweißnahtqualität, der Umwelteinwirkung, der Belastungsgeschichte und der Folgen jeder Versagensart wider. Regelwerke übertragen diese Unsicherheiten in vorgeschriebene Auslegungswerte, Abminderungsfaktoren, Lebensdaueranteile oder separate Grenzwerte. Ein Bauteil kann sowohl gegen übermäßige Verformung als auch gegen Bruch abgesichert werden müssen, wobei die niedrigere zulässige Spannung maßgebend ist.

Eine Interpolation innerhalb eines qualifizierten Datensatzes ist vergleichsweise gut begründbar. Wenn die Ergebnisse für Grade 91 die erforderliche Spannung, Temperatur und Dauer einschließen und die Proben die Erzeugnisform und Wärmebehandlung des Bauteils repräsentieren, kann die Schätzung eines Wertes zwischen benachbarten Beobachtungen durch die ermittelten Trends gestützt werden. Auch dann sind Streubänder und Verfahren des jeweiligen Regelwerks von Bedeutung.

Eine Extrapolation ist etwas anderes. Die Vorhersage einer Zeitstandbruchlebensdauer von 100.000 Stunden anhand einer 1.000-Stunden-Prüfung setzt voraus, dass dieselben Verformungs- und Schädigungsmechanismen über zwei weitere Größenordnungen hinweg wirksam bleiben. Diese Annahme kann versagen, wenn Ausscheidungen vergröbern, die Oxidation sich beschleunigt oder eine neue Bruchart entsteht. Die Larson-Miller- und Manson-Haferd-Parameter, die im U.S. Nuclear Regulatory Commission NUREG/CR-6150 (1994) für Kohlenstoffstahl und nichtrostenden Stahl behandelt werden, liefern nützliche Korrelationen, jedoch keine physikalische Erlaubnis, Änderungen der Mechanismen zu ignorieren.

Auch eine über den geprüften Temperaturbereich hinaus angepasste Kurve ist riskant. Temperaturänderungen können Diffusion, Erholung, Phasenumwandlung oder umgebungsbedingte Reaktionen aktivieren, die während der Prüfung nicht vorhanden waren. Langzeitvorhersagen sollten daher durch Prüfungen verankert werden, die sich der vorgesehenen Betriebsdauer annähern, und durch Gefügeuntersuchungen, Schweißnahtdaten sowie regelmäßige Inspektionen unterstützt werden. Die Auslegungsspannung ist nur dann belastbar, wenn ihre zeitlichen, thermischen, verformungsbezogenen, bruchmechanischen und regelwerksbedingten Grenzwerte sämtlich mit dem Betriebsproblem übereinstimmen.

Extrapolation von Langzeitdaten und Parametermethoden

Die Auslegung gegen Langzeitkriechen erfordert häufig eine Vorhersage über die Dauer der verfügbaren Prüfungen hinaus. Von einem Bauteil kann erwartet werden, dass es 100.000 Stunden betrieben wird, während der Prüfdatensatz nur wenige Ergebnisse bei 1.000 oder 10.000 Stunden enthält. Parametermethoden schließen diese Lücke, indem sie Temperatur und Zeit zu einer einzigen empirischen Größe zusammenfassen und dadurch Bruchdaten aus mehreren Temperaturen gemeinsam angepasst werden können. Sie erzeugen keine neuen Beobachtungen. Sie liefern eine Extrapolation, deren Zuverlässigkeit vom Prüfbereich, vom Werkstoffzustand, vom Spannungsintervall und von der fortbestehenden Gültigkeit des Verformungsmechanismus abhängt.

Diese Unterscheidung ist von Bedeutung, da Kriechen und Zeitstandfestigkeit miteinander verbunden, aber unterschiedliche Messgrößen sind. ASTM E139-11(2018), veröffentlicht von ASTM International, behandelt die Verformung als Funktion der Zeit bei Kriechprüfungen sowie die Zeit bis zum Bruch bei Zeitstand- und Spannungsbruchprüfungen unter konstanter Zugkraft und Temperatur. Eine Zeitstandbruchkurve kann daher für sich allein weder die Dehnungsakkumulation noch die minimale Kriechrate, die tertiäre Schädigung oder die vor dem Bruch erreichte Dehnungsgrenze beschreiben.

Larson-Miller-ParameterLarson-Miller-Parameter Ein empirischer Temperatur-Zeit-Parameter, meist geschrieben als P_LM = T(C + log10 t_r), zur Ordnung von Zeitstandbruchdaten.

NUREG/CR-6150, 1994 von der U.S. Nuclear Regulatory Commission herausgegeben, beschreibt die Modellierung von Zeitstandbruchschädigung mit Larson-Miller- und Manson-Haferd-Parametern für Werkstoffe einschließlich Kohlenstoffstahl und nichtrostendem Stahl. Diese Methoden sind empirische Verfahren zur Zusammenführung von Kurven. Ihre Ergebnisse können ingenieurtechnische Berechnungen unterstützen, müssen jedoch weiterhin an den Werkstoff und die Prüfpopulation gebunden bleiben, aus denen die angepassten Konstanten ermittelt wurden.

Parametermethoden nach Larson-Miller

Der Larson-Miller-Parameter wird üblicherweise als

$$P_{\mathrm{LM}}=T(C+{\log }_{10}{t}_r)$$

geschrieben, wobei $T$ die absolute Temperatur, $t_r$ die Bruchzeit und $C$ eine angepasste Werkstoffkonstante ist. Die Temperatur kann in Kelvin oder Grad Rankine angegeben werden, sofern dasselbe Einheitensystem durchgehend verwendet wird. Anschließend wird der Parameter mit der Spannung korreliert, häufig mithilfe eines Polynoms, einer abschnittsweisen Anpassung oder einer tabellierten Auslegungskurve.

Die Methode setzt voraus, dass Kombinationen aus Temperatur und Bruchzeit, die denselben Wert von $P_{\mathrm{LM}}$ ergeben, bei einer bestimmten Spannung ein vergleichbares Bruchverhalten aufweisen. Diese Annahme ist zweckmäßig, aber kein metallurgisches Gesetz. Die Konstante $C$ ist für „Stahl“ nicht universell; sie variiert abhängig von Legierung, Wärmebehandlung, Spannungsbereich, Anpassungsverfahren und mitunter vom ausgewählten Temperaturintervall. Eine mit einem bestimmten Wert von $C$ angepasste Kurve kann geordnet erscheinen, während ein anderer Wert eine erheblich abweichende Vorhersage für lange Zeiten liefert.

Die Kalibrierung muss daher ausdrücklich angegeben werden. Das National Institute for Materials Science (NIMS) veröffentlicht systematisch erfasste Kriech- und Zeitstandbruchdaten für Kohlenstoffstähle, niedriglegierte Stähle, hochchromhaltige Stähle und austenitische warmfeste Stähle. Der Datensatz von 2024 für Grade 91 umfasst Rohre, Bleche und Leitungsrohre aus 9Cr-1Mo-V-Nb-Stahl im Bereich von 450 bis 725 °C und 30 bis 450 MPa; die Zeitstandfestigkeit ist für 100, 1.000, 10.000 und 100.000 Stunden angegeben. Diese angegebenen Zeitdauern sind besonders wichtig: Ein angepasster Wert bei 100.000 Stunden ist nicht gleichbedeutend mit einer tatsächlichen Beobachtung über 100.000 Stunden. Wenn der Punkt bei 100.000 Stunden für die relevante Produktform, Temperatur, Spannung und Wärmebehandlung vorhanden ist, bildet er eine Verankerung der Extrapolation. Ist dies nicht der Fall, bleibt die Vorhersage modellabhängig.

Manson-Haferd-ParameterManson-Haferd-Parameter Ein empirischer Parameter mit angepassten Referenzwerten für Temperatur und Zeit zur Ordnung von Zeitstandbruch-Lebensdauerdaten über verschiedene Temperaturen hinweg.

Die Anpassung nach Larson-Miller führt außerdem tendenziell dazu, dass Daten über mehrere Temperaturen hinweg leichter zusammengeführt werden, als dass Änderungen des Mechanismus sichtbar werden. Bei kürzeren Zeiten kann die Versetzungsbewegung vorherrschen; bei längeren Zeiten können Ausscheidungsvergröberung, Korngrenzenkavitation, Oxidation oder Erholung die Lebensdauer bestimmen. Grade 91 veranschaulicht dieses Problem. Seine angelassene martensitische Struktur erhält ihre Kriechfestigkeit durch feine Ausscheidungen und ein stabiles Untergefüge; thermische Alterung und die Entwicklung der Ausscheidungen können diese Widerstandsfähigkeit jedoch vermindern. Eine einzige glatte Linie kann nicht erkennen lassen, wann eine solche Änderung eintritt.

Parametermethoden nach Manson-Haferd

Der Manson-Haferd-Parameter wird üblicherweise als

$$P_{\mathrm{MH}}=\frac{T-T_a}{{\log }_{10}{t}_r-{\log }_{10}{t}_a}$$

ausgedrückt, wobei $T_a$ und $t_a$ angepasste Konstanten sind, die mit dem scheinbaren Schnittpunkt der Trends der Zeitstandbruchlebensdauer verbunden sind. Im Gegensatz zu Larson-Miller schreibt die Methode keine feste additive Konstante innerhalb von $T(C+\log t)$ vor. Die angepasste Referenztemperatur und die Referenzzeit werden so gewählt, dass Daten aus unterschiedlichen Temperaturen auf eine zweckmäßige Spannungs-Parameter-Beziehung zusammenfallen.

Die Anpassung nach Manson-Haferd kann bei bestimmten Datensätzen bessere Ergebnisse liefern als die Anpassung nach Larson-Miller, insbesondere wenn die Temperaturabhängigkeit durch ein festes $C$ nicht angemessen dargestellt wird. Auch sie setzt jedoch voraus, dass dieselbe Beziehung außerhalb des gemessenen Bereichs weiterhin gültig ist. Der durch $T_a$ und $t_a$ dargestellte scheinbare Schnittpunkt ist eine statistische Konstruktion und nicht notwendigerweise ein physikalischer Punkt im Verhalten der Legierung. Eine Änderung der ausgewählten Prüfungen, des Spannungsbereichs oder der Regressionsform kann diese Konstanten verschieben und die vorhergesagte Lebensdauer verändern.

Keine der beiden Parametermethoden sagt unmittelbar die vollständige Kriechkurve voraus. Sie ordnen hauptsächlich die Bruchzeit, üblicherweise $t_r$, bei einer ausgewählten Spannung und Temperatur. Eine Auslegungsbewertung benötigt außerdem die zulässige Spannung, die akkumulierte Schädigung, Verformungsgrenzen und, sofern relevant, die Wechselwirkung zwischen Kriechen und Ermüdung. NIST bezeichnet Zeitstandbruchdaten als eine wesentliche Klasse mechanischer Werkstoffeigenschaften, die zur Bewertung von Metallen bei erhöhten Temperaturen erforderlich sind. Die 2022 über das Office of Scientific and Technical Information des U.S. Department of Energy veröffentlichte Studie zur Kontinuumsschädigungsmechanik auf Grundlage von Wilshire verfolgt für P91-Stahl einen umfassenderen Ansatz: Sie kombiniert Wilshire-Gleichungen mit der Kontinuumsschädigungsmechanik, um Kriechverformung, minimale Kriechrate, Schädigung und Spannungsbruchlebensdauer vorherzusagen. Dieser Ansatz behandelt Größen, die ein ausschließlich auf Bruchdaten beruhender Parameter nicht liefern kann; auch er hängt jedoch von Kalibrierungsdaten und Annahmen über den Werkstoffzustand ab.

Modellunsicherheit und metallurgische Übergänge

Eine glatt angepasste Linie kann erhebliche Unsicherheiten verdecken. Die logarithmische Darstellung komprimiert Zeitunterschiede, und eine Regression kann gestreute Ergebnisse geordnet erscheinen lassen. Die Linie kann durch die Mitte des Datensatzes verlaufen und dennoch das Verhalten an der unteren Grenze verfehlen, das für Druckgeräte oder Kernkomponenten erforderlich ist. Die Streuung entsteht durch Unterschiede der chemischen Zusammensetzung zwischen Schmelzen, die vorausgegangene Verarbeitung, die Probenabmessungen, den Oberflächenzustand, Oxidation, die Schweißhistorie und die Prüfausrichtung und nicht nur durch Messfehler.

Die größte Gefahr ist ein metallurgischer Übergang: eine Änderung der geschwindigkeitsbestimmenden Verformungs- oder Bruchprozesse, durch die die angepasste Beziehung ihre Gültigkeit verliert. Beispiele hierfür sind Karbidreaktionen, Ausscheidungsvergröberung, der Verlust der martensitischen Lattenstruktur, Korngrenzenkavitation, Phasenumwandlung, zyklische Erweichung oder ein Angriff durch die Umgebung. Die Arbeiten von K. Natesan für die IAEA zu Grade 91 identifizieren zyklische Erweichung, Dehnratenabhängigkeit, thermische Alterung, Umwelteinflüsse und Gefügeänderungen als wesentliche Faktoren bei der Auslegung gegen Kriechermüdung. Eine Langzeitextrapolation, die diese Faktoren ignoriert, kann dem Anschein nach präzise und hinsichtlich des Mechanismus dennoch falsch sein.

Auslegungsregeln setzen dieser Unsicherheit Grenzen. ASME BPVC Section II, Part D enthält Auslegungskennwerte für Werkstoffe, während ASME Section III, Division 5 Bauvorschriften für Hochtemperaturreaktorkomponenten behandelt. Die Richtlinie 2014/68/EU verlangt, dass kriechbezogene Eigenschaften und vorgeschriebene Grenzwerte berücksichtigt werden, wenn Kriechen bei der Auslegung von Druckgeräten von Bedeutung ist. Diese Regeln sollten nicht durch eine unqualifizierte Parametera Anpassung ersetzt werden. Ergebnisse nach Larson-Miller oder Manson-Haferd sind Anhaltspunkte für eine Auslegungsentscheidung, jedoch keine direkten Beobachtungen bei 100.000 Stunden, sofern solche Prüfungen nicht tatsächlich abgeschlossen wurden.

Schädigungsmechanismen und moderne Vorhersage des Zeitbruchs

Kriechen und Zeitbruch beschreiben miteinander verbundene, jedoch unterschiedliche Ergebnisse. Kriechen ist eine zeitabhängige Verformung unter gleichbleibender Spannung und Temperatur; beim Zeitbruch steht die bis zum Bruch verstrichene Zeit im Vordergrund. Eine zuverlässige Vorhersagemethode muss beide miteinander verknüpfen, anstatt die Zeitstandfestigkeit als isolierte Zahl zu behandeln. ASTM E139-11(2018) legt den Prüfrahmen für die Messung der zeitabhängigen Verformung bei Kriechprüfungen sowie der Zeit bis zum Bruch bei Zeitstand- und Spannungsbruchprüfungen an metallischen Werkstoffen fest, die unter konstanter Zugkraft und Temperatur gehalten werden.

Kontinuumsschädigungsvariablen

Die Kontinuumsschädigungsmechanik beschreibt die verteilte Verschlechterung der Mikrostruktur mit einer oder mehreren inneren Variablen. Eine verbreitete skalare Variable $D$ reicht von null für einen anfänglich ungeschädigten Werkstoff bis annähernd eins beim Bruch. Sie ist keine direkte Messgröße für die Anzahl von Hohlräumen oder Rissen. Stattdessen handelt es sich um eine berechnete Zustandsvariable, die eine Verringerung der wirksamen lasttragenden Fläche, der Steifigkeit oder des Kriechwiderstands darstellen kann.

Das Konzept der effektiven Spannung veranschaulicht diesen Ansatz. Wenn die Nennspannung $\sigma$ beträgt, kann einem geschädigten Querschnitt beispielsweise folgende effektive Spannung zugeordnet werden:

$${\sigma }_{\mathrm{eff}}=\frac{\sigma }{1-D}.$$

Mit zunehmendem $D$ muss der verbleibende Werkstoff eine höhere Spannung tragen, wodurch die Kriechdehnung und die Schädigungsakkumulation beschleunigt werden. Ein Modell kann daher ein Verformungsgesetz,

\[ \dot{\varepsilon}_c=f(\sigma_\mathrm{eff},T,\text{Mikrostruktur}), \]

mit einem Gesetz für die Schädigungsentwicklung,

\[ \dot{D}=g(\sigma_\mathrm{eff},T,\dot{\varepsilon}_c,\text{Zustandsvariablen}), \]

koppeln.

Die exakten Gleichungen unterscheiden sich. Einige Formulierungen bringen die Schädigung mit dem Wachstum von Korngrenzenhohlräumen in Verbindung; andere verwenden die akkumulierte Kriechdehnung, die mehrachsige Spannung oder ein phänomenologisches Geschwindigkeitsgesetz. Eine skalare Variable kann außerdem wichtige Unterschiede zwischen isolierten Hohlräumen, verbundenen Hohlräumen, transkristalliner Rissbildung und oxidationsunterstütztem Bruch verdecken. Diese Einschränkung ist von Bedeutung, wenn ein Bauteil einer mehrachsigen Spannung, Wärmeeinflusszonen von Schweißnähten oder einer zyklischen Belastung ausgesetzt ist.

Die physikalische Interpretation muss weiterhin an den Werkstoff gebunden bleiben. Beim ferritischen Stahl Grade 91 bestimmen angelassener Martensit, ehemalige Austenitkorngrenzen und Ausscheidungen wie M${}_{23}$C${}_6$-Karbide und MX-Karbonitride das anfängliche Kriechverhalten. Eine thermische Einwirkung kann Ausscheidungen vergröbern oder umverteilen, die Festigkeit von Subkörnern verringern und die Erholung fördern. Die Arbeiten von K. Natesan bei der IAEA zur Auslegung unter Kriechermüdung für Grade 91 identifizieren zyklische Erweichung, die Abhängigkeit von der Dehnrate, thermische Alterung, Umwelteinflüsse und mikrostrukturelle Veränderungen als relevante Variablen. Ein an einem stabilen Laborwerkstoff kalibrierter Schädigungsparameter kann nicht ohne Weiteres auf eine gealterte Schweißnaht oder ein Bauteil übertragen werden, das Dampfoxidation ausgesetzt war.

Vorhersage auf Grundlage von Wilshire für P91

Eine im Jahr 2022 veröffentlichte und vom Office of Scientific and Technical Information des U.S. Department of Energy erfasste Studie liefert ein nützliches Beispiel: Sie kombiniert Wilshire-Gleichungen mit der Kontinuumsschädigungsmechanik, um die Kriechverformung, die minimale Kriechrate, die Schädigung und die Zeitstandbruchlebensdauer von P91-Stahl vorherzusagen. Der verknüpfte Datensatz sollte vor der Veröffentlichung die Namen der Autoren enthalten; Namen dürfen nicht aus Sekundärzitaten abgeleitet werden.

Beziehungen vom Wilshire-Typ werden häufig mit normierter Spannung und einem Aktivierungstemperaturterm formuliert. In vereinfachter Form kann ein Parameter die normierte Spannung über eine temperaturabhängige Exponentialfunktion mit der Bruchzeit oder der minimalen Kriechrate verknüpfen. Anders als eine einfache Geradenanpassung in einem Larson–Miller-Diagramm versucht der Wilshire-Ansatz, die Verbindung zwischen der Spannung relativ zu einer werkstoffbezogenen Festigkeitsskala und den thermisch aktivierten Prozessen, die die Verformung steuern, zu erhalten. Der Anteil der Kontinuumsschädigung liefert der Berechnung anschließend einen sich verändernden Werkstoffzustand, anstatt anzunehmen, dass die Probe bis zu einem abrupten Endbruch unverändert bleibt.

Diese Unterscheidung ist für P91 von Bedeutung. Der Stahl kann über einen langen Zeitraum eine geringe Dehnung aufweisen, gefolgt von einer beschleunigten Verformung, während Erholung, Ausscheidungsentwicklung, Hohlraumbildung und lokale Spannungskonzentration fortschreiten. Ein Modell, das lediglich die endgültige Bruchzeit vorhersagt, kann mit einer Prüftabelle übereinstimmen, jedoch den Dehnungsverlauf, die minimale Kriechrate oder den Beginn des tertiären Kriechens verfehlen. Der kombinierte Ansatz strebt dagegen eine Übereinstimmung zwischen vier beobachtbaren Größen an: der Kriechkurve, der minimalen Kriechrate, dem Wachstum einer Schädigungsvariablen und der abschließenden Bruchzeit.

Die verfügbare NIMS-Datenbank für Grade 91 stellt für diese Aufgabe einen anspruchsvollen Kalibrierungsraum bereit. Ihre Datensätze für den Stahl 9Cr-1Mo-V-Nb decken 450 bis 725 °C und 30 bis 450 MPa ab; die Zeitstandfestigkeit ist für 100, 1.000, 10.000 und 100.000 Stunden angegeben. NIMS unterhält außerdem systematisch erhobene Daten für Kohlenstoffstähle, niedriglegierte Stähle, hochchromhaltige Stähle und austenitische hitzebeständige Stähle. Diese Datensätze sind nicht austauschbar: Eine Anpassung für P91 sollte nicht als allgemeines Gesetz für jeden hochchromhaltigen Stahl dargestellt werden, schon gar nicht für Gussstücke aus ASTM A1091/A1091M Grade C91. Gussstücke aus Grade C91 weisen ein durch ausgeschiedene Partikel stabilisiertes angelassenes martensitisches oder bainitisches Gefüge auf; Gussmaßstab, Seigerungen und Wanddicke können jedoch die Entwicklung der Schädigung verändern.

Kopplung von minimaler Kriechrate, Schädigung und Zeitstandbruchlebensdauer

Die minimale Kriechrate wird häufig als zweckmäßige Korrelationsvariable behandelt, weil sie sich vergleichsweise einfach aus einer Kriechkurve bestimmen lässt. Sie ist mehr als das, aber weniger als eine vollständige Messgröße für die Schädigung. Eine zunehmende minimale Kriechrate kann auf eine Schwächung durch Erholung oder den Abbau von Ausscheidungen hindeuten; dennoch können zwei Proben mit ähnlichen Minimalraten später durch unterschiedliche Mechanismen versagen. Bei der einen können sich Korngrenzenhohlräume bilden, während die andere unter Oxidation, schweißnahtbezogener Rissbildung oder einer Änderung des Verformungsmechanismus versagt.

Ein gekoppeltes Modell verwendet die minimale Kriechrate als beobachtbare Größe, die mit dem inneren Zustand verknüpft ist. Während des primären Kriechens nimmt die Rate im Allgemeinen ab, wenn der Werkstoff verfestigt. Beim sekundären Kriechen erreicht sie einen niedrigen oder nahezu stabilen Wert. Während des tertiären Kriechens steigt die Rate infolge von Schädigung und Lokalisierung an. Wenn die Stoff- und Schädigungsgesetze diese Phasen reproduzieren, kann die Integration der Gleichungen eine vorhergesagte Bruchzeit liefern, anstatt die Bruchzeit erst nachträglich lediglich anzupassen.

Diese Vorhersage hängt weiterhin von der Evidenz ab. NIST bezeichnet Zeitstandbruchdaten als eine wichtige Klasse mechanischer Werkstoffdaten, die zur Bewertung von Metallen bei erhöhten Temperaturen benötigt werden. Die Kapitel von ASM International zu Creep and Stress Rupture Failures und Design for High-Temperature Applications betonen dagegen Verformungsmechanismen, Bruch, Umwelteinflüsse, metallurgische Instabilität, Alterung, Karbidreaktionen und die Wechselwirkung zwischen Kriechen und Ermüdung. NUREG/CR-6150 zeigt, wie Larson–Miller- und Manson–Haferd-Parameter die Schädigungsmodellierung unterstützen können; parametrisierte Kurven bleiben jedoch empirische Zusammenfassungen, solange ihre Annahmen nicht anhand sich verändernder Mikrostrukturen und Belastungsgeschichten geprüft werden.

Die Glaubwürdigkeit eines Modells hängt von der Qualität seiner Kalibrierungsdaten, seinem Validierungsbereich, der Behandlung von Unsicherheiten und der Darstellung der im Betrieb vorliegenden Mikrostruktur ab. Eine Extrapolation von Prüfungen über 10.000 Stunden auf 100.000 Stunden ist nicht automatisch gerechtfertigt; ebenso wenig ist es eine Extrapolation von konstanter Temperatur und Spannung auf einen Druckzyklus. ASME BPVC Section II, Part D stellt Auslegungskennwerte für Werkstoffe bereit, und Section III, Division 5 legt Konstruktionsregeln für Hochtemperaturkomponenten von Reaktoren fest. Auch die Richtlinie 2014/68/EU der Europäischen Union fordert kriechbezogene Eigenschaften und vorgeschriebene Grenzwerte, wenn Kriechen die Auslegung von Druckgeräten bestimmt. Diese Regelwerke verwandeln eine angepasste Gleichung nicht in ein Werkstoffgesetz. Sie legen den Rahmen fest, innerhalb dessen Prüfdaten, Schädigungsannahmen, Sicherheitsfaktoren und Prüfstrategie vertretbar bleiben müssen.

Wechselwirkung zwischen Kriechen und Ermüdung sowie thermische Wechselbeanspruchung

Ein Bauteil ist nur selten der konstanten Zugkraft und der konstanten Temperatur ausgesetzt, die bei einem herkömmlichen Kriechversuch vorausgesetzt werden. Dampfleitungen erwärmen sich ausgehend von Umgebungsbedingungen, verweilen auf Betriebstemperatur, ändern ihren Druck und kühlen anschließend wieder ab. Reaktorkomponenten können Laststeigerungen, Abschaltungen, Brennstoffwechselstillstände und lokale Wärmeschocks erfahren. Jedes Ereignis verändert sowohl die Spannung als auch die Verformungsgeschwindigkeit. Eine Kriechkurve bei konstanter Last liefert daher notwendige Erkenntnisse, sagt jedoch allein die Lebensdauer bei An- und Abfahrvorgängen, Laständerungen oder thermischer Wechselbeanspruchung nicht voraus.

ASTM International legt in ASTM E139-11(2018) Verfahren zur Messung der Verformung als Funktion der Zeit bei Kriechversuchen sowie der Zeit bis zum Bruch bei Kriechbruch- und Spannungsbruchversuchen unter konstanter Zugkraft und Temperatur fest. Diese kontrollierte Bedingung ist gerade deshalb nützlich, weil sie eine Werkstoffreaktion isoliert. Sie beschreibt nicht den vollständigen Verlauf jeder Betriebsgeschichte. Die Daten von NIMS verdeutlichen denselben Sachverhalt indirekt: Der Datensatz für Grade 91 umfasst 450 bis 725 °C und 30 bis 450 MPa; die Bruchfestigkeit wird für 100, 1.000, 10.000 und 100.000 Stunden angegeben. Eine Interpolation zwischen diesen Punkten kann eine Bewertung der instationären Dehnung, der Temperaturgradienten, der Haltezeiten und der Zyklenzahl nicht ersetzen.

Haltezeiten und zyklische Entfestigung

Ein thermischer Zyklus verbindet gewöhnlich eine ermüdungserzeugende Dehnungsumkehr mit einer kriecherzeugenden Haltezeit. Beim Erwärmen kann eine behinderte Ausdehnung Druckspannungen erzeugen; beim Abkühlen kann dieselbe Behinderung Zugspannungen hervorrufen. Bleibt die Temperatur nach dem instationären Vorgang hoch, relaxiert die Spannung durch Kriechen. Die daraus entstehende Hystereseschleife bleibt von einem Zyklus zum nächsten nicht unverändert.

Grade 91, je nach Produkt- und Konstruktionszusammenhang auch als P91 oder 9Cr-1Mo-V-Nb-Stahl bezeichnet, zeigt unter dehnungsgesteuerten Bedingungen häufig eine zyklische Entfestigung. Seine anfängliche angelassene martensitische Festigkeit nimmt ab, wenn wiederholte plastische Verformung die Versetzungen neu anordnet und sich die Lattenstruktur verändert. Ein entfestigter Werkstoff erreicht einen bestimmten Dehnungsbereich bei geringerer Spannung; das bedeutet jedoch nicht, dass die Schädigung verschwunden ist. Die Spannungsrelaxation während einer Haltezeit kann die akkumulierte inelastische Dehnung erhöhen, während die Hohlraumbildung an ehemaligen Austenitkorngrenzen sowie an Latten- oder Paketgrenzen während des scheinbar ruhigen Abschnitts des Zyklus fortschreiten kann.

Die Haltezeit hat zwei gegenläufige Auswirkungen. Durch Relaxation kann sie die Zugspannungsamplitude und damit den rein ermüdungsbedingten Anteil verringern. Gleichzeitig ermöglicht sie das Fortschreiten von Kriechdehnung, Oxidation, Diffusion und Hohlraumwachstum. Eine Zughaltezeit ist häufig schädlicher als eine Druckhaltezeit, weil sich Korngrenzenhohlräume und oxidationsunterstützte Risse unter Zugbelastung bevorzugt öffnen beziehungsweise bilden. Die Wirkung hängt von Temperatur, Dehnungsbereich, Atmosphäre, Oberflächenzustand und dem vorausgegangenen Zyklus ab; eine allgemeingültige Umrechnung in „Stunden pro Zyklus“ ist daher nicht vertretbar.

Die Wechselwirkung zwischen Kriechen und Ermüdung ist folglich nicht dadurch nachgewiesen, dass eine unabhängig bestimmte Ermüdungslebensdauer zu einer unabhängig bestimmten Kriechbruchlebensdauer addiert wird. Eine lineare Schadenssumme, etwa ein Ermüdungsanteil plus ein Kriechanteil, darf nur verwendet werden, wenn ihr Gültigkeitsbereich der Kalibrierung, die Zyklusdefinition, die Behandlung der Haltezeit und das Versagenskriterium für den Werkstoff und die Betriebsgeschichte validiert wurden. Andernfalls kann sie Wechselwirkungsterme verdecken. Ermüdungsrisse können frisches Metall der Oxidation aussetzen, während Kriechen einen Riss je nach Spannungszustand und Temperatur abstumpfen, zuspitzen oder verzweigen kann.

Das mit K. Natesan verbundene Material der IAEA nennt zyklische Entfestigung, Abhängigkeit von der Dehnungsrate, thermische Alterung, Umwelteinflüsse und mikrostrukturelle Veränderungen als spezifische Auslegungsfaktoren für Grade 91. Diese Faktoren sind gekoppelt und keine voneinander unabhängigen Korrekturposten. Eine lange Haltezeit kann die Mikrostruktur verändern, welche die nächste schnelle Dehnungsumkehr bestimmt.

Abhängigkeit von der Dehnungsrate und thermische instationäre Vorgänge

Das plastische Verhalten und das Kriechverhalten hängen stark davon ab, wie schnell eine Dehnung aufgeprägt wird. Bei hoher Dehnungsrate tragen Versetzungen einen großen Teil der Verformung, bevor diffusionsgesteuertes Kriechen sie aufnehmen kann. Bei niedriger Dehnungsrate trägt das Kriechen bereits während des Anfahrens zur Verformung bei. Derselbe gesamte Dehnungsbereich kann daher zu unterschiedlichen Maximalspannungen, inelastischen Dehnungen und Risswachstumsraten führen.

Thermische instationäre Vorgänge verursachen eine weitere Komplikation: Die Temperatur ist über die Wanddicke nur selten gleichmäßig. Eine heiße Innenoberfläche und eine kühlere Außenoberfläche erzeugen eine über die Wanddicke wirkende Fehlanpassung der thermischen Dehnung, während Schweißnähte, Biegungen, Anbauteile und dicke Querschnitte lokale Behinderungen hervorrufen. Eine Temperaturänderung, die im Gesamtvolumen moderat erscheint, kann einen starken lokalen Zyklus erzeugen. Schnelles Erwärmen kann die Oberfläche unter Druck und das Innere unter Zug setzen; schnelles Abkühlen kann diese Anordnung umkehren. Anschließend kommt es durch Plastizität und Kriechen zu einer Spannungsumlagerung, sodass eine elastische Abschätzung der thermischen Spannung während einer langen Haltezeit irreführend werden kann.

Die Temperatur verändert außerdem die Werkstoffstruktur. Die Erholung des angelassenen martensitischen Lattengerüsts, die Vergröberung oder Auflösung von MX-Karbonitriden, die Entwicklung von M${}_{23}$C${}_6$-Karbid sowie die Bildung intermetallischer Phasen können die Kriechfestigkeit verringern oder die Duktilität verändern. Thermische Alterung kann das Verhalten auch dann verändern, wenn die aufgebrachte Spannung unverändert bleibt. Wärmeeinflusszonen von Schweißnähten können anders altern als der Grundwerkstoff und dadurch lokale Dehnungskonzentrationen und vorzeitige Rissbildung verursachen.

Die Umgebung wirkt am Mechanismus mit. Dampf oxidation kann chromreiche Schutzschichten abbauen und Oxidschichten erzeugen, die sich während der Wechselbeanspruchung rissig werden oder abplatzen. Luftoxidation, Verunreinigungen sowie natrium- oder bleihaltige Kühlmittelumgebungen können Rissinitiierung und Rissausbreitung verändern. Oberflächenoxid ist nicht lediglich eine kosmetische Schicht, wenn das Bauteil wiederholt beansprucht wird.

Ein Modell muss daher den Temperaturverlauf, den Spannungs- oder Dehnungsverlauf, die inelastische Dehnungsrate, die Haltezeit und die sich entwickelnde innere Schädigung verfolgen. Die 2022 über das U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information veröffentlichte Studie zur Kontinuumsschädigungsmechanik auf Grundlage von Wilshire kombiniert Wilshire-Gleichungen mit der Kontinuumsschädigungsmechanik, um die Kriechverformung, die minimale Kriechrate, die Schädigung und die Spannungsbruchlebensdauer von P91 vorherzusagen. Ihr Wert liegt in der Methodik: Verformung und Bruch werden als miteinander verbundene, sich entwickelnde Zustände behandelt und nicht als eine einzelne, isolierte Bruchkennzahl. Die Namen der Autoren sollten vor der Veröffentlichung anhand des verknüpften Datensatzes überprüft werden, statt sie abzuleiten.

Auslegungskomplikationen bei Grade 91

Grade 91 erhält seine Hochtemperaturfestigkeit durch eine angelassene martensitische Mikrostruktur, die durch Chrom, Molybdän, Vanadium, Niob, Stickstoff und kontrollierte Kohlenstoffzugaben stabilisiert wird. Diese Struktur reagiert empfindlich auf Wärmebehandlung, Schweißen, Fertigungsdehnung und Betriebseinwirkung. Geringfügige Abweichungen beim Normalisieren und Anlassen können große Unterschiede im Kriechverhalten bewirken. Die schwächste Zone kann ein Schweißgut, eine feinkörnige Wärmeeinflusszone oder eine interkritische Wärmeeinflusszone sein und nicht das Ausgangsblech oder -rohr.

Ausleger müssen außerdem die Werkstoffbezeichnung von den zulässigen Konstruktionsregeln unterscheiden. ASTM A1091/A1091M behandelt Gussstücke aus ferritischem, kriechfestigkeitsverbessertem legiertem Stahl der Güte C91 für drucktragende Teile; ihre angelassene martensitische oder bainitische Struktur wird durch ausgeschiedene Teilchen festigkeitssteigernd und stabilisierend beeinflusst. Diese Bezeichnung legt nicht automatisch das Verhalten jedes Rohrs, Blechs, jeder Leitung, jeder Schweißverbindung oder jedes Gussstücks aus Grade 91 unter zyklischer Beanspruchung fest.

ASME BPVC Section II, Part D stellt Auslegungskennwerte für Werkstoffe bereit, während ASME BPVC Section III, Division 5 Konstruktionsregeln für Hochtemperaturkomponenten von Reaktoren enthält. Die Richtlinie 2014/68/EU der Europäischen Union verlangt, dass kriechbezogene Eigenschaften und vorgeschriebene Grenzwerte berücksichtigt werden, wenn Kriechen für die Auslegung von Druckgeräten von Bedeutung ist. NUREG/CR-6150, das 1994 von der U.S. Nuclear Regulatory Commission herausgegeben wurde, beschreibt Kriechbruchschädigungsmodelle unter Verwendung der Larson-Miller- und Manson-Haferd-Parameter für Werkstoffe einschließlich Kohlenstoffstahl und nichtrostendem Stahl. Solche Parameter fassen Langzeitprüfdaten zusammen; sie machen eine Bewertung der instationären Dehnung und der Wechselwirkung nicht überflüssig.

Für Grade 91 muss eine belastbare Bewertung die thermische Wechselbeanspruchung, die zyklische Entfestigung, den Ort der Schweißnaht, die Dehnungsrate, die Alterung, die Umgebung und die gewählte Versagensregel berücksichtigen. Eine Bruchkurve ist ein Beleg. Sie ist nicht die Lebensdauer des Bauteils.

Brucharten und Untersuchung von Versagen

Kriechbruch ist weder durch ein einziges Erscheinungsbild noch durch einen einzigen Mechanismus gekennzeichnet. Ein Bauteil kann nach einer langen Phase langsamer Dehnungsakkumulation, nach einer kürzeren Zeitstandfestigkeitsbeanspruchung oder durch eine Kriechermüdungswechselwirkung während wiederholter thermischer und mechanischer Zyklen versagen. Die Bruchfläche dokumentiert das Endstadium, während das umgebende Gefüge häufig die früher eingetretene Schädigung erkennen lässt. Die Behandlung von Kriech- und Zeitstandbrüchen durch ASM International berücksichtigt daher Verformungsmechanismen, die Abhängigkeit von Spannung und Temperatur, die Bruchmorphologie, Umwelteinflüsse, metallurgische Instabilität, Alterung, Karbidreaktionen und die Schädigungsakkumulation, anstatt das Versagen allein einer „hohen Temperatur“ zuzuschreiben.

ASTM E139-11(2018) unterscheidet die betreffenden Messungen: Bei einer Kriechprüfung wird die Verformung als Funktion der Zeit bei konstanter Zugkraft und Temperatur verfolgt, während bei Kriechbruch- und Zeitstandbruchprüfungen die Zeit bis zum Bruch unter festgelegten Bedingungen im Vordergrund steht. Diese Unterscheidung ist bei einer Untersuchung von Bedeutung. Ein Probekörper, der nach 10.000 Stunden gebrochen ist, gibt für sich genommen keinen Aufschluss darüber, ob seine minimale Kriechrate ungewöhnlich hoch war, ob eine späte Beschleunigung eintrat oder ob ein lokaler Fehler das Versagen bestimmte.

Transkristalliner und interkristalliner Bruch

Ein transkristalliner Bruch verläuft durch die Körner. Bei erhöhter Temperatur kann er durch eine auf die Körner konzentrierte plastische Verformung, durch Karbidrisse, durch oxidationsunterstützte Rissbildung oder durch wiederholte thermische und mechanische Zyklen entstehen. Die Bruchfläche kann Grübchen infolge der Koaleszenz von Mikroporen, spaltähnliche Facetten oder eine gemischte Morphologie aufweisen. Eine transkristalline Oberfläche ist kein Beweis für eine Überlastung: Ein kriechgeschädigtes Bauteil kann vor dem schnellen Fortschreiten des abschließenden Risses eine erhebliche intragranulare Dehnung akkumulieren.

Ein interkristalliner Bruch folgt den Korngrenzen und steht in engem Zusammenhang mit Korngleitvorgängen, Leerstellendiffusion, einer Schwächung der Korngrenzen und der Bildung von Hohlräumen. Unter anhaltender Spannung können Korngrenzen, die senkrecht oder schräg zur Hauptzugrichtung verlaufen, lokale Dehnungen aufnehmen. Wenn Korngrenzenpartikel, segregierte Verunreinigungen, Oxidation oder eine verringerte Ausscheidungsdichte die Kohäsion herabsetzen, bilden sich kleine Hohlräume leichter. Diese Hohlräume vergrößern sich, verbinden sich entlang der Korngrenze und erzeugen einen Risspfad, der sich durch zahlreiche Körner erstrecken kann.

Die Unterscheidung ist hilfreich, aber nicht absolut. Ein Riss kann an einer Korngrenze beginnen, ein Korn durchqueren und zu einer anderen Korngrenze zurückkehren. Wärmeeinflusszonen von Schweißnähten, Gussgefüge, Einschlüsse und durch die Betriebsbeanspruchung veränderte Bereiche führen häufig zu einem gemischt transkristallin-interkristallinen Bruch. Ferritischer Grade 91, beziehungsweise P91, bringt eine zusätzliche Komplikation mit sich: Seine angelassene martensitische Struktur ist für ihre Kriechfestigkeit auf eine feine Ausscheidungsverteilung angewiesen, doch thermische Alterung und eine ungünstige Entwicklung der Ausscheidungen können die Widerstandsfähigkeit gegen Korngrenzenschädigung herabsetzen. Die Grade-91-Datenbank von NIMS aus dem Jahr 2024 umfasst Rohre, Bleche und Rohrleitungen aus 9Cr-1Mo-V-Nb-Stahl im Bereich von 450 bis 725 °C und 30 bis 450 MPa; die Bruchfestigkeit wird für 100, 1.000, 10.000 und 100.000 Stunden angegeben. Eine Bruchbewertung muss innerhalb solcher Daten an die relevante Temperatur, Spannung, Produktform und Wärmebehandlung gebunden werden – nicht lediglich an die Werkstoffbezeichnung.

Hohlräume, Einschnürung und Rissinitiierung

Kriechhohlräume sind anfangs gewöhnlich mikroskopisch klein. Diffusion und Korngleiten treiben Leerstellen zu den beanspruchten Korngrenzen, während Einschlüsse und Grenzflächen von Ausscheidungen günstige Keimbildungsstellen darstellen. Bei fortgesetzter Beanspruchung wachsen benachbarte Hohlräume und koaleszieren. Der verbleibende Ligamentquerschnitt muss eine größere Last tragen, wodurch eine lokale Dehnungskonzentration entsteht. Diese positive Rückkopplung führt zu einem geschädigten Band, einem makroskopischen Riss und schließlich zum Verlust des tragenden Querschnitts.

Dieselbe Abfolge kann an einem Schweißnahtübergang, unter einem Oberflächenoxid, neben einem Einschluss oder an einem Geometrieübergang auftreten, an dem mehrachsige Spannungen hoch sind. Eine lokale Einschnürung kann dem abschließenden Bruch vorausgehen, obwohl eine diffuse Kriechdehnung das Bauteil nur mäßig verformt erscheinen lassen kann. Bei dünnen Querschnitten entfernt Oxidation oder Korrosion tragendes Metall und erhöht die tatsächliche Spannung im verbleibenden Querschnitt. Eine nominell zulässige Betriebsspannung kann dadurch lokal zu einer schädigenden Spannung werden.

Eine Bruchfläche kann Grübchen, Korngrenzenfacetten, Oxidationsprodukte oder eine schmale abschließende Überlastungszone aufweisen. Keines dieser Merkmale ist für sich allein ausreichend. Der Untersucher sollte die Dichte und Größe der Hohlräume in einiger Entfernung von der Bruchfläche kartieren, die Wanddicke messen und feststellen, ob die Schädigung an der Hauptspannung ausgerichtet ist. In der Nähe einer Schweißnaht oder entlang von früheren Austenitkorngrenzen konzentrierte Hohlräume weisen auf eine andere Vorgeschichte hin als eine gleichmäßige duktile Ausdünnung.

Die Spannungsgeschichte ist ebenso wichtig. Grade 91 kann zyklische Entfestigung, eine Abhängigkeit von der Dehnrate, thermische Alterung, Umwelteinflüsse und Gefügeänderungen erfahren – Faktoren, die K. Natesan in Arbeiten der IAEA zur Auslegung gegen Kriechermüdung identifiziert hat. Ein Kriechmodell mit konstanter Last kann daher ein Bauteil, das Anfahrvorgängen, Abschaltungen, Schwingungen oder Temperaturgradienten ausgesetzt ist, unzutreffend beschreiben. Die 2022 veröffentlichte Studie zur Kontinuumsschädigungsmechanik auf Grundlage des Wilshire-Modells kombiniert Wilshire-Gleichungen mit der Schädigungsmechanik, um die Kriechverformung, die minimale Kriechrate, die Schädigung und die Zeitstandbruchlebensdauer von P91 vorherzusagen. Solche Modelle sind aussagekräftiger, als einen Versagensmechanismus anhand der letzten wenigen Millimeter der Bruchfläche zu bestimmen.

Metallografische Befunde nach der Betriebsbeanspruchung

Eine fundierte Untersuchung beginnt mit den Aufzeichnungen: Werkstoffgüte und Wärmebehandlung, Betriebstemperatur, Druck, Last, Transienten, Haltezeiten und etwaige Störzustände. Die tatsächliche Metalltemperatur ist zu bestätigen, nicht nur der Messwert aus dem Leitstand. Es ist zu bestimmen, ob sich die Spannung durch Druckschwankungen, thermische Behinderung, Wanddickenabnahme oder Verformung verändert hat. Anschließend ist die Lage des Bruchs im Verhältnis zu Schweißnähten, Biegungen, Anbauteilen, Auflagern, Korrosion und Isolierung festzustellen.

Die Bruchfläche ist zunächst mit Verfahren geringer Vergrößerung zu untersuchen; Ablagerungen sind zu erhalten, und eine Reinigung, durch die Oxidations- oder Korrosionsspuren entfernt werden könnten, ist zu vermeiden. Anschließend sind Querschliffe durch den Ausgangsbereich und durch scheinbar unbeeinträchtigtes Material anzufertigen. Lichtmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie können Hohlräume, Korngrenzentrennung, das Eindringen von Oxiden, Einschlüsse, Einschnürung und die Bruchart sichtbar machen. Härtekartierungen, Maßprüfungen und chemische Analysen helfen, Anlassen, Überhitzung, Entkohlung oder Verunreinigungen zu erkennen. Bei Grade 91 sind die Struktur der früheren Austenitkörner, der Zustand der martensitischen Latten, M23C6-Karbide und MX-Ausscheidungen zu charakterisieren; Überanlassen, Vergröberung oder ein Verlust der Ausscheidungsstabilität können eine verringerte Kriechfestigkeit erklären.

Die beobachtete Schädigung ist mit qualifizierten Kriech- und Bruchdaten zu vergleichen. NIMS stellt systematisch erfasste Daten für Kohlenstoffstähle, niedriglegierte Stähle, hochchromhaltige Stähle und austenitische warmfeste Stähle bereit, während NIST Kriechbruchdaten als eine wichtige Informationsklasse für die Bewertung von Metallen bei erhöhter Temperatur bezeichnet. Larson-Miller- oder Manson-Haferd-Korrelationen, die für Kohlenstoff- und nichtrostende Stähle in U.S. NRC NUREG/CR-6150 (1994) erörtert werden, können die Lebensdauerbewertung unterstützen, sollten jedoch materialbezogene Nachweise nicht ersetzen. Auch Auslegungsregeln sind relevant: ASME BPVC Section II, Part D stellt Auslegungskennwerte für Werkstoffe bereit, und Section III, Division 5 behandelt den Bau von Hochtemperaturreaktoren; die Richtlinie 2014/68/EU fordert Kriecheigenschaften und vorgeschriebene Grenzwerte, wenn Kriechen von Bedeutung ist. Das äußere Erscheinungsbild leitet die Untersuchung ein. Es beendet sie nicht.

Umwelteinflüsse bei hohen Temperaturen

Die Zeitstandfestigkeit ist keine isolierte Werkstoffeigenschaft, wenn Stahl in Dampf, Verbrennungsprodukten, Reaktorkühlmitteln oder korrosiven Ablagerungen betrieben wird. Eine unter sauberer Laborluft geprüfte Probe kann ihre polierte Oberfläche und ihren vollständigen Querschnitt behalten, während ein Bauteil im Betrieb Metall verlieren, Oxidrisse entwickeln, Wasserstoff aufnehmen oder einer lokalen Chemie ausgesetzt sein kann, die sowohl die Verformung als auch den Bruch verändert. Die gemessene Zeitstandrate und die Bruchlebensdauer beschreiben dann nur einen Teil des technischen Problems.

Oxidation und Querschnittsverlust

Bei hohen Temperaturen reagiert Stahl mit Sauerstoff und Wasserdampf und bildet Oxidschichten. Abhängig von Legierungszusammensetzung und Temperatur können diese Eisenoxide, chromreiche Oxide oder stärker schützende Mischbeläge enthalten. Die Oxidschicht ist nicht lediglich eine passive Beschichtung. Sie kann während thermischer Wechselbeanspruchung reißen, unter Vibrationen abplatzen und frisches Metall freilegen. Wiederholte Oxidation und Abplatzung verringern die Wanddicke von Rohren, Rohrleitungen, Sammlern und Druckbehältern.

Diese geometrische Veränderung erhöht die tatsächliche Spannung, die vom verbleibenden Metall getragen wird. Eine Nennspannung, die anhand der ursprünglichen Wanddicke berechnet wurde, kann daher die Spannung im späteren Betriebsverlauf unterschätzen. Lokaler Materialabtrag ist gefährlicher als eine gleichmäßige Ausdünnung, weil Grübchen, Rillen und Bereiche mit beschädigter Oxidschicht die Spannung konzentrieren und Ausgangsstellen für Zeitstandporen oder Ermüdungsrisse bilden. Selbst ein moderater durchschnittlicher Querschnittsverlust kann zu einer deutlich stärkeren Verringerung der lokalen Bruchlebensdauer führen.

Die Oxidation verändert außerdem die Oberfläche, von der aus Risse entstehen. Mit der Oberfläche verbundene Fehlstellen können sich an Oxid-Metall-Grenzflächen, an durch Ablösung der Oxidschicht freigelegten Korngrenzen oder unter Ablagerungen bilden, die eine Differenzbelüftung hervorrufen. Unterschiede in der Wärmeausdehnung zwischen Stahl und Oxid erzeugen beim An- und Abfahren zusätzliche Spannungen. Bei ferritischen Stählen kann eine Chromverarmung in der Nähe einer oxidierten Oberfläche die Beständigkeit gegenüber nachfolgender Korrosion verringern und das lokale Gefüge verändern. Bei austenitischen warmfesten Stählen können Oxidwachstum sowie Auf- oder Entkohlung das mechanische Verhalten der oberflächennahen Bereiche verändern.

Die Unterscheidung zwischen Verformung und Bruch bleibt wichtig. ASTM E139-11(2018), herausgegeben von ASTM International, legt Verfahren zur Messung der zeitabhängigen Verformung bei Zeitstandversuchen sowie der Zeit bis zum Bruch bei Zeitstandbruch- und Spannungsbruchversuchen unter konstanter Zugkraft und Temperatur fest. Ein solcher Versuch kann die minimale Zeitstandrate oder die Bruchlebensdauer eines Werkstoffs bestimmen; der durch jahrelange Anlagenbeanspruchung verursachte Wanddickenverlust und die Beschädigung der Oxidschicht werden dadurch jedoch nicht automatisch erfasst.

Das Kapitel Auslegung für Hochtemperaturanwendungen im ASM Handbook behandelt aus diesem Grund Umwelteinflüsse zusammen mit Spannung, Temperatur, metallurgischer Instabilität und Schädigungsmechanismen. Eine Auslegungsberechnung, die eine im Labor ermittelte Bruchkurve ohne Bewertung von Oxidation oder Materialabtrag auf den ursprünglichen Querschnitt anwendet, kann zu unsicheren Ergebnissen führen.

Korrosionsunterstützte Schädigung

Korrosion kann das Versagen bei hohen Temperaturen durch Mechanismen beschleunigen, die sich von der gewöhnlichen Oxidation unterscheiden. Dampfoxidation, Sulfidierung durch schwefelhaltige Verbrennungsgase, Aufkohlung, Metallstaubzerfall, Nitrierung und Angriff durch geschmolzene Salze können jeweils die Oberflächen- und oberflächennahe Struktur verändern. Die maßgebliche Reaktion hängt von Gaszusammensetzung, Temperatur, Strömung, Druck, Ablagerungschemie und Einwirkungsdauer ab.

Sulfidierung ist besonders schädlich, wenn schwefelhaltige Brennstoffe oder Ablagerungen Eisen- oder Chromsulfide bilden. Diese Produkte können weniger schützend sein als chromreiche Oxide und Legierungselemente verbrauchen, die für die Stabilität der Oxidschicht erforderlich sind. Geschmolzene Ablagerungen mit Vanadium, Natrium, Kalium oder Chloriden können schützende Oxide auflösen und einen rasch fortschreitenden lokalen Angriff verursachen. In Verbrennungssystemen kann ein Rohr daher sowohl durch den Innendruck zeitstandbeansprucht als auch durch die Feuerraumumgebung von außen abgetragen werden.

Korrosionsunterstützte Rissbildung verändert die Abfolge des Versagens. Eine Mulde oder interkristalline Rille erhöht die lokale Spannung, während die korrosive Umgebung die Rissspitze schwächt oder Material von neu freigelegten Oberflächen entfernt. Unter Dauerlast kann dies zu einem Zusammenwirken von Zeitstandporen, Oxidation und Risswachstum führen, anstatt zu einem einzelnen, isolierten Mechanismus. Durch Korrosion erzeugter Wasserstoff kann in den Stahl eindringen und unter anfälligen Bedingungen die Duktilität verringern; das Ausmaß dieses Effekts hängt jedoch stark von Legierung, Temperatur, Wasserstoffaktivität und Gefüge ab.

Die Gefügestabilität bleibt ebenfalls von Bedeutung. Stahl der Güte Grade 91, auch als 9Cr-1Mo-V-Nb bezeichnet, ist für seine Zeitstandfestigkeit auf ein angelassenes martensitisches Gefüge und stabile Ausscheidungen angewiesen. Thermische Alterung, zyklische Erweichung, Veränderungen der Ausscheidungen und Umwelteinflüsse können gemeinsam wirken. Das NIMS Grade 91 Creep Data Sheet von 2024 umfasst Rohre, Bleche und Rohrleitungen im Bereich von 450 bis 725 °C und 30 bis 450 MPa; die Bruchfestigkeit wird für 100, 1.000, 10.000 und 100.000 Stunden angegeben. Diese Daten sind wertvoll, doch ein Grade-91-Bauteil, das Dampfoxidation oder korrosiven Ablagerungen ausgesetzt ist, erfordert weiterhin eine Bewertung von Wanddickenverlust und Oberflächenschädigung.

Umweltabhängige Interpretation von Versuchsdaten

Labordaten sollten der für die Auslegung zugrunde gelegten Umgebung entsprechen. NIMS erfasst systematisch Zeitstand- und Bruchergebnisse für Kohlenstoffstähle, niedriglegierte Stähle, hochchromhaltige Stähle und austenitische warmfeste Stähle; NIST bezeichnet Zeitstandbruchdaten als eine wesentliche Klasse mechanischer Werkstoffdaten, die zur Bewertung von Metallen bei erhöhten Temperaturen benötigt wird. Keine der beiden Datenbanken nimmt automatisch eine Umweltkorrektur vor.

Die ASM-Auslegungsleitlinien unterstützen daher einen von zwei vertretbaren Ansätzen: den Werkstoff unter einer für den Betrieb relevanten chemischen Umgebung zu prüfen oder mechanische Daten aus einer sauberen Umgebung zusammen mit einem gesondert begründeten Modell für Oxidation, Korrosion, Querschnittsverlust und Risswachstum zu verwenden. Expositionsversuche müssen möglicherweise Dampfdruck, Verbrennungsgaszusammensetzung, Ablagerungen, thermische Wechselbeanspruchung und Oberflächenzustand nachbilden. Eine metallografische Untersuchung nach dem Versuch ist unerlässlich, wenn die Umgebung die Rissinitiierung verändern kann.

Bei langfristigen Extrapolationen ist die Einschränkung erheblich. Ein in Laborluft ermitteltes Bruchergebnis nach 10.000 Stunden kann allein keine Bauteillebensdauer von 100.000 Stunden in feuchtem Dampf oder sulfidierender Atmosphäre bestätigen. Die Studie zu Stahl P91 auf Grundlage der Verfahren von Wilshire und der Kontinuums-Schädigungsmechanik prognostiziert Zeitstandverformung, minimale Zeitstandrate, Schädigung und Spannungsbruchlebensdauer; Umweltschädigung muss jedoch berücksichtigt werden, wenn sie wesentlich zum Versagen beiträgt. Die Verfahren nach Larson-Miller und Manson-Haferd in NUREG/CR-6150 beschreiben ebenfalls Temperatur-Zeit-Beziehungen; sie entheben nicht von der Notwendigkeit, Korrosion und Oxidation gesondert zu bewerten.

Auslegungsvorschriften spiegeln diese Unterscheidung wider. ASME BPVC Section II, Part D stellt Auslegungskennwerte für Werkstoffe bereit, während ASME BPVC Section III, Division 5 die Konstruktion von Reaktorkomponenten für hohe Temperaturen behandelt. Die Richtlinie 2014/68/EU fordert zeitstandbezogene Eigenschaften und vorgeschriebene Grenzwerte, wenn Zeitstandbeanspruchung bei der Auslegung von Druckgeräten von Bedeutung ist. Diese Vorschriften dürfen nicht als Erlaubnis verstanden werden, die Betriebschemie zu ignorieren. Die Umwelteinwirkung gehört in das Versuchsprogramm, das Schädigungsmodell oder eine konservative Berechnung für Inspektion und Restlebensdauer.

Regelwerke, Vorschriften und die Bedeutung der zulässigen Spannung

Eine zulässige Spannung bei erhöhter Temperatur ist nicht einfach die Zugfestigkeit eines Stahls geteilt durch einen Sicherheitsfaktor. Sie ist ein durch ein Regelwerk festgelegter Auslegungswert, der aus ausgewählten Werkstoffdaten, Temperaturgrenzen, Annahmen zur Konstruktion, Anforderungen an die Fertigung, der Betriebsdauer und zulässigen Schädigungsmechanismen abgeleitet wird. Ein Wert kann das Fließen bei kurzer Einwirkungsdauer, die Kriechverformung über einen festgelegten Zeitraum oder den Zeitstandbruch bei einer vorgegebenen Lebensdauer begrenzen. Dies sind unterschiedliche Nachweise.

ASTM E139-11(2018) trennt die zugrunde liegenden Messgrößen. Die Norm behandelt bei Kriechversuchen die Verformung als Funktion der Zeit sowie bei Zeitstandbruch- und Spannungsbruchversuchen die Zeit bis zum Bruch für metallische Werkstoffe, die einer konstanten Zugkraft und Temperatur ausgesetzt sind. Die daraus resultierenden Kurven sind Belege, jedoch nicht automatisch Auslegungsgrenzen. NIST bezeichnet Zeitstandbruchdaten als eine wesentliche Klasse mechanischer Werkstoffdaten, die zur Bewertung von Metallen bei erhöhter Temperatur benötigt werden. Das ASM Handbook behandelt unterdessen die Mechanismen, die Extrapolationen erschweren: Diffusion, Versetzungsbewegung, Schädigung von Korngrenzen, Umgebungsangriff, metallurgische Instabilität, Alterung, Karbidreaktionen und die Wechselwirkung zwischen Kriechen und Ermüdung.

Ein Regelwerk überführt ausgewählte Nachweise anschließend in konkrete Regeln. Es kann eine niedrigere Spannung festlegen, als eine Laborkurve nahelegt, weil die Auslegung Streuungen, Schweißnähte, Umformung, Prüfungen, Fertigungstoleranzen, transienten Betrieb und Unsicherheiten bei der Langzeitextrapolation berücksichtigen muss. Umgekehrt sagt ein Wert aus einem Regelwerk nicht die exakt verbleibende Lebensdauer eines bestimmten Behälters, Rohrs, Sammlers oder einer Reaktorkomponente voraus. Die Konformität weist nach, dass die festgelegte Auslegung und Konstruktion die geltenden Regeln erfüllen; sie ersetzt weder eine Zustandsbewertung noch die Analyse der Betriebshistorie oder eine komponentenspezifische Lebensdauerbewertung.

Europäische Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU

Die Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU der Europäischen Union legt grundlegende Sicherheitsanforderungen für Druckgeräte und Baugruppen fest, die auf dem europäischen Markt bereitgestellt werden. Ihre Funktion ist regulatorischer Art. Sie ist weder eine einzelne Kriechdatenbank noch eine universelle Gleichung zur Vorhersage der verbleibenden Lebensdauer.

Für Anlagen, die in einem Temperatur- und Spannungsbereich betrieben werden, in dem Kriechen von Bedeutung ist, verlangt die Richtlinie, dass der Konstrukteur kriechbezogene Werkstoffeigenschaften und vorgeschriebene Grenzwerte berücksichtigt. Anhang I behandelt zulässige Spannungen und verlangt geeignete Werkstoffdaten für ferritische und austenitische Stähle, einschließlich der Berücksichtigung der Zeitstandfestigkeit und, sofern relevant, der Bruchfestigkeit. Die Auslegung muss während des vorgesehenen Betriebszeitraums eine unzulässige Verformung oder einen Bruch verhindern. Diese Formulierung ist wesentlich: Die Anforderung bezieht sich auf die Auslegungsbedingungen, die Lebensdauer, die Werkstoffe und die Folgen eines Versagens der jeweiligen Anlage und nicht auf die allgemeine Aussage, dass eine Güte ein „Hochtemperaturstahl“ sei.

Die Richtlinie verknüpft die Werkstoffauswahl außerdem mit der Fertigung und der Konformitätsbewertung. Für ein drucktragendes Teil können geeignete Werkstoffdokumentation, Rückverfolgbarkeit, Schweißkontrollen, Aufzeichnungen über Wärmebehandlungen und Prüfungen erforderlich sein. Eine Kriechberechnung mit der Streckgrenze bei Raumtemperatur würde den Zweck dieser Anforderung verfehlen. Bei hohen Temperaturen muss der Konstrukteur möglicherweise Spannungsgrenzen verwenden, die auf der Kriechrate, der Zeitstandbruchfestigkeit oder einem vorgeschriebenen Anteil dieser Eigenschaften beruhen, und zusätzlich lokale Spannungen und Unstetigkeiten nachweisen.

NIMS veranschaulicht den Umfang der zugrunde liegenden Nachweise. Die Datenbank des Creep Data Sheet von 2024 enthält systematisch erhobene Daten für Kohlenstoffstähle, niedriglegierte Stähle, hochchromhaltige Stähle und austenitische hitzebeständige Stähle. Der Datensatz für Grade 91 umfasst Rohre, Bleche und Leitungen aus 9Cr-1Mo-V-Nb-Stahl im Bereich von 450 bis 725 °C und 30 bis 450 MPa; die Zeitstandbruchfestigkeit wird für 100, 1.000, 10.000 und 100.000 Stunden angegeben. Diese Zeitintervalle zeigen, warum eine einzelne Zahl für die „Kriechfestigkeit“ irreführend ist. Eine Spannung, der das Bauteil 100 Stunden standhält, muss nicht die Anforderungen einer Auslegung für 100.000 Stunden erfüllen.

ASME BPVC Section II, Part D

ASME BPVC Section II, Part D ist innerhalb des ASME Boiler and Pressure Vessel Code in erster Linie ein Nachschlagewerk für Werkstoffeigenschaften und zulässige Spannungen. Es enthält tabellierte Auslegungsspannungen, Werkstoffspezifikationen, Spannungs-Temperatur-Daten, physikalische Eigenschaften und zugehörige Grenzwerte für Werkstoffe, die an anderer Stelle im Konstruktionsregelwerk zugelassen sind. Es legt jedoch nicht für sich allein das vollständige Konstruktionsverfahren für jede Druckgrenze fest.

Der tabellierte Wert ist das Ergebnis einer Methodik des Regelwerks und nicht das direkte Ablesen einer einzigen Versuchskurve. Je nach Temperatur und Werkstoff können Streckgrenze, Zugfestigkeit, Kriechrate oder zeitabhängige Bruchfestigkeit die maßgebende Grundlage bilden. Der jeweils anwendbare Konstruktionsabschnitt bestimmt, wie dieser Wert verwendet wird, einschließlich der Regeln für Geometrie, Verbindungen, Schweißnähte, Prüfungen, Druckprüfungen und Fertigung. Ingenieure müssen daher die Werkstoffspezifikation und die Produktform exakt zuordnen. Blech, Rohr, Schmiedestück, Gussstück und Schweißgut können unterschiedliche zulässige Werte aufweisen, selbst wenn ihre nominelle chemische Zusammensetzung derselben Güte ähnelt.

Grade 91 zeigt, warum der Produktzustand von Bedeutung ist. Sein angelassenes martensitisches Gefüge hängt von einer kontrollierten Normalisierungs- und Anlassbehandlung ab, während Vanadium-Niob-Karbonitride und andere Ausscheidungen dazu beitragen, der Kriechverformung zu widerstehen. Thermische Alterung, fehlerhafte Wärmebehandlung, Schweißen und lange Betriebsbeanspruchung können dieses Gefüge verändern. Eine tabellierte Spannung nach Section II, Part D bescheinigt nicht, dass ein im Betrieb befindliches Grade 91-Bauteil sein ursprüngliches Gefüge oder seine verbleibende Lebensdauer bewahrt hat.

Langzeitdaten erfordern außerdem eine Extrapolationsmethode. NUREG/CR-6150, 1994 von der U.S. Nuclear Regulatory Commission veröffentlicht, beschreibt die Modellierung von Zeitstandbruchschädigung unter Verwendung der Larson-Miller- und Manson-Haferd-Parameter für Werkstoffe einschließlich Kohlenstoffstahl und nichtrostendem Stahl. Solche Parameter können Versuchsdaten über Spannung, Temperatur und Bruchzeit hinweg ordnen; sie bleiben jedoch Modelle mit einem begrenzten Gültigkeitsbereich. Die auf Wilshire basierende Studie zur Kontinuumsschädigungsmechanik von P91-Stahl aus dem Jahr 2022 geht weiter, indem sie Wilshire-Gleichungen mit der Schädigungsmechanik kombiniert, um Kriechverformung, minimale Kriechrate, Schädigung und die Spannungsbruchlebensdauer vorherzusagen. Ein derartiges Modell unterstützt die Bewertung; es verwandelt spärliche Daten jedoch nicht in Gewissheit.

ASME BPVC Section III, Division 5

ASME BPVC Section III, Division 5 behandelt die Konstruktion von Reaktorkomponenten für den Hochtemperaturbetrieb. Gegenstand ist nicht lediglich die Tabellierung der Werkstofffestigkeit. Der Abschnitt enthält Regeln für Komponenten, die erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind und bei denen Kriechen, Ermüdung, die Wechselwirkung zwischen Kriechen und Ermüdung, Ratcheting, thermische Gradienten und zeitabhängige Schädigung während des Betriebs zusammenwirken können.

Section III, Division 5 muss zusammen mit den anwendbaren Werkstoffanforderungen und Eigenschaftsdaten gelesen werden, einschließlich der gegebenenfalls über ASME BPVC Section II, Part D bereitgestellten Auslegungswerte. Die Konstruktionsregeln legen fest, wie Konstrukteure temperaturabhängige Spannungen, Lastspielverläufe, Dehnungsgrenzen, Schweißnähte, inelastische Analysen und akkumulierte Schädigung bewerten. Eine Reaktorkomponente kann Anfahr- und Abfahrzyklen erleben, die sich über Jahre anhaltender Temperatur- und Druckbeanspruchunglagern; eine ausschließliche Spannungsbruchberechnung würde diese Belastungsgeschichte nicht erfassen.

Die Präsentation von K. Natesan für die IAEA nennt zyklische Entfestigung, Dehnratenabhängigkeit, thermische Alterung, Umwelteinflüsse und Gefügeänderungen als wichtige Faktoren bei der Kriech-Ermüdungs-Auslegung von ferritischem Grade 91-Stahl. Diese Aspekte erklären, warum eine Komponente zwar einen Nachweis der zulässigen Spannung erfüllen kann, nach dem Betrieb jedoch eine Überwachung oder Neubewertung erforderlich sein kann. Die berechnete Sicherheitsmarge gilt für die festgelegte Auslegungsgrundlage.

Diese Unterscheidung ist die zentrale Regel. Werkstoffdaten beschreiben das Verhalten unter festgelegten Prüfbedingungen. Konstruktionsregelwerke schreiben vor, wie Konstrukteure und Fertiger diese Daten verwenden müssen. Vorschriften legen rechtlich durchsetzbare Sicherheitsanforderungen und Konformitätspflichten fest. Keines dieser drei Elemente sagt allein oder in Kombination die verbleibende Lebensdauer jeder einzelnen Komponente voraus. Eine belastbare Lebensdauerbewertung muss die Grundlage des Regelwerks mit den tatsächlichen Temperatur- und Spannungsverläufen, Schweiß- und Prüfaufzeichnungen, gemessenen Verformungen, dem metallurgischen Zustand, der Umwelteinwirkung und einer Versagensanalyse verbinden, die zwischen Kriechverformung und Zeitstandbruch unterscheidet.

Bewertung der Restlebensdauer gealterter Stahlbauteile

Inspektionsdaten und Betriebshistorie

Die Restlebensdauer ist keine feste Eigenschaft einer Stahlsorte. Sie ist eine Schätzung für ein bestimmtes Bauteil unter Berücksichtigung der Spannungshistorie, der Temperaturhistorie, der Geometrie, der Umgebung und des Versagenskriteriums. Eine belastbare Bewertung beginnt daher mit den Betriebsaufzeichnungen und nicht mit einer Handbuch-Zeitstandskurve.

Die Aufzeichnungen sollten die Werkstoffbezeichnung, die Wärmebehandlung, die Erzeugnisform, die Wanddicke, das Schweißverfahren, den Zusatzwerkstoff, die Wärmenachbehandlung nach dem Schweißen sowie sämtliche Reparaturhistorien erfassen. „Grade 91“ reicht allein nicht aus: Rohr, Blech, Schweißgut und Wärmeeinflusszone können ein unterschiedliches Kriechverhalten zeigen. Die Creep Data Sheet-Datenbank von NIMS aus dem Jahr 2024 veranschaulicht die Bandbreite der verfügbaren Nachweise. Ihre Daten zu Grade 91 umfassen Rohre, Bleche und Rohrleitungen aus 9Cr-1Mo-V-Nb-Stahl bei 450 bis 725 °C und 30 bis 450 MPa; die Zeitstandfestigkeit wird für 100, 1.000, 10.000 und 100.000 Stunden angegeben. Diese Bedingungen sind Prüfzeitpunkte und keine Vorhersage, dass jedes Bauteil aus Grade 91 100.000 Stunden überstehen wird.

Die Temperaturhistorie erfordert mehr als lediglich eine Auslegungshöchsttemperatur. Aufgezeichnete Metalltemperaturen, Temperaturgradienten, eine ungleichmäßige Verteilung von Brennerleistung oder Strömung, Änderungen der Isolierung und Überhitzungsphasen können das Ergebnis verändern. Eine kurze Temperaturüberschreitung kann bei einem Bauteil nur geringe Auswirkungen auf die akkumulierte Dehnung haben, bei einem anderen jedoch die Oxidation, die Vergröberung von Ausscheidungen oder lokale Schäden beschleunigen. Auch An- und Abfahrvorgänge, Laständerungen, Druckzyklen und Auslösungen sind relevant, da die Kriech-Ermüdungs-Wechselwirkung während transienter Vorgänge Schäden konzentrieren kann.

Die Spannungshistorie sollte die dauerhafte Druckspannung, Gewichts- und Zwangsbeanspruchungen, Wärmespannungen, Biegung, Stutzenlasten, Verschiebungen von Auflagern sowie lokale Spannungen an Schweißnahtübergängen, Anbauteilen, Öffnungen und Wanddickenübergängen umfassen. Der Druck allein beschreibt die höchste Spannung nur selten ausreichend. Maßaufzeichnungen können die akkumulierte Reaktion erkennen lassen: Durchmesserzunahme, Ausbeulung, Durchbiegung, Wanddickenabnahme, Verformung, bleibende Verlängerung und Änderungen der Ausrichtung. Ein konstantes Maß beweist nicht, dass kein Schaden vorhanden ist; eine zunehmende Verformungsrate ist jedoch ein direkter Nachweis dafür, dass die Verformung fortschreitet.

Die Replikametallografie kann betriebsbedingte Schädigung erkennen; einzelne Hohlräume allein können jedoch die Restlebensdauer nicht bestimmen. Limited evidence

Die Inspektionsbefunde müssen anschließend dem tatsächlichen Lastpfad zugeordnet werden. Ultraschall-Wanddickenmessungen, Untersuchungen auf Oberflächenrisse, Durchstrahlungsprüfungen, Phased-Array-Verfahren, Oxidmessungen, Härteprüfungen und Replikametallografie beantworten unterschiedliche Fragen. Eine Berechnung des Wanddickenverlusts kann Kriechporenbildung an einer Schweißnaht nicht berücksichtigen, sofern diese nicht gesondert nachgewiesen wird. Ebenso kann eine Rissanzeige bereits die Gebrauchstauglichkeit bestimmen, bevor die allgemeine Kriechdehnung groß wird.

Bei der Bewertung sollten drei Endpunkte unterschieden werden: zulässige Verformung, Leckage oder Instabilität sowie Bruch. Der Zeitstandbruch betrifft die Zeit bis zum Bruch; eine Kriechbewertung betrifft außerdem die Rate und das Ausmaß der Verformung vor dem Bruch. ASTM E139-11(2018), veröffentlicht von ASTM International, legt Prüfungen unter konstanter Zugkraft und konstanter Temperatur fest, um bei Kriechversuchen die Verformung in Abhängigkeit von der Zeit sowie bei Kriechbruch- und Zeitstandbruchversuchen die Zeit bis zum Bruch zu messen. Eine Restlebensdauerberechnung, die die Bruchzeit so verwendet, als wäre sie ein Verformungsgrenzwert, beantwortet die falsche Frage.

Replikametallografie und Härtenachweise

Repliken bieten eine praktische Möglichkeit, Veränderungen des Oberflächengefüges zu untersuchen, ohne eine große Probe zu entnehmen. Ordnungsgemäß hergestellte und eindeutig zugeordnete Repliken können die Entwicklung von Karbiden, die Erholung von Martensit oder Bainit, die Vergröberung von Ausscheidungen, Korngrenzenporen und Kriechrisse sichtbar machen. Der Ort ist ebenso wichtig wie das Bild. Repliken aus dem Grundwerkstoff, dem Schweißgut und der Wärmeeinflusszone dürfen nicht als austauschbar behandelt werden, da sich die thermischen Vorgeschichten und Ausscheidungsreaktionen unterscheiden.

Bei ferritischem Stahl des Typs Grade 91 kann eine lange Exposition die Wirksamkeit des angelassenen martensitischen Gefüges durch Erholung, Veränderungen der Ausscheidungen und den Verlust der Subkornstabilität vermindern. Das Material von K. Natesan von der IAEA zum Kriech-Ermüdungs-Entwurf nennt zyklische Erweichung, Dehnratenabhängigkeit, thermische Alterung, Umwelteinflüsse und Gefügeveränderungen als relevante Faktoren. Eine Replik mit vereinzelten Poren ist ein Nachweis lokaler Schädigung, liefert jedoch für sich genommen keine Restlebensdauer. Porendichte, Form, Ausrichtung, Rissverknüpfung, betroffene Fläche und die Entwicklung zwischen den Stillständen liefern aussagekräftigere Nachweise.

Auch die Härte ist nützlich, jedoch nur eingeschränkt aussagekräftig. Eine abnehmende Härte kann den Nachweis von Anlassen, Erholung oder thermischer Exposition unterstützen; eine lokale Zunahme kann auf einen harten Schweißnahtbereich, unangelassenen Martensit, Kaltverformung oder einen Reparaturzustand hinweisen. Aus der Härte lassen sich weder die Kriechdehnung noch die Zeitstandbruchlebensdauer eindeutig bestimmen. Sie sollte möglichst mit dokumentierten Fertigungswerten, benachbartem unbeeinflusstem Werkstoff und Ergebnissen aus demselben Bauteil verglichen werden.

Bei der Gefügeinterpretation muss außerdem eine umgebungsbedingte Schädigung berücksichtigt werden. Oxidation, Aufkohlung, Entkohlung, Wasserstoffeinflüsse und Korrosionsabtrag können sowohl den gemessenen Querschnitt als auch den Bruchmechanismus verändern. ASTM A1091/A1091M behandelt beispielsweise Gussstücke aus ferritischem, kriechfestigkeitsverbessertem legiertem Stahl der Güte C91 für drucktragende Teile; ihr angelassenes martensitisches oder bainitisches Gefüge wird durch ausgeschiedene Teilchen stabilisiert. Diese Beschreibung macht Nachweise an gegossenem Grade C91 nicht mit Nachweisen an gewalztem Grade 91 austauschbar.

Ein nützlicher Vergleich zwischen Betriebsstillständen erfasst dieselben Stellen, den gleichen Vergrößerungsmaßstab, das gleiche Präparationsverfahren, das gleiche Härteprüfverfahren und den gleichen Bildmaßstab. Wiederholte Nachweise können zeigen, ob Poren stabil bleiben, sich vermehren oder sich zu Rissen verbinden. Sie können außerdem eine gefährliche Annahme aufdecken: Scheinbar intakter Grundwerkstoff kann neben einer geschädigten Wärmeeinflusszone einer Schweißnaht vorliegen.

Abgleich mit Kriechschädigungsmodellen

Modelle wandeln Inspektions- und Betriebsaufzeichnungen in eine Schätzung um, ersetzen jedoch nicht das technische Urteil über Unsicherheiten. Zunächst müssen Werkstoffdaten ausgewählt werden, die hinsichtlich Güte, Erzeugnisform, Schweißzustand, Temperaturbereich, Spannungszustand und Umgebung passend sind. NIMS stellt systematisch erfasste Kriech- und Bruchdaten für Kohlenstoffstähle, niedriglegierte Stähle, hochchromhaltige Stähle und austenitische warmfeste Stähle bereit. NIST bezeichnet Zeitstandbruchdaten als eine wesentliche Klasse mechanischer Werkstoffdaten, die zur Bewertung von Metallen bei erhöhten Temperaturen benötigt werden.

NUREG/CR-6150, 1994 von der U.S. Nuclear Regulatory Commission herausgegeben, beschreibt die Modellierung von Zeitstandbruchschädigung unter Verwendung der Parameter nach Larson-Miller und Manson-Haferd für Werkstoffe einschließlich Kohlenstoffstahl und nichtrostendem Stahl. Solche Parametermethoden können Prüfdaten interpolieren und ordnen; eine Extrapolation über große Änderungen von Temperatur, Spannung, Gefüge oder Zeit kann jedoch ausschlaggebend sein. Sie sollten als Nachweise innerhalb eines festgelegten Datenbereichs und nicht als universelle Lebensdauervorhersagen behandelt werden.

Eine Berechnung kann die Schädigung unter veränderlichen Bedingungen integrieren, die vorhergesagte Dehnung mit der gemessenen Maßänderung vergleichen und alternative Annahmen zur lokalen Spannung und Temperatur prüfen. Die 2022 vom U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information veröffentlichte Untersuchung zur auf Wilshire basierenden Kontinuumsschädigungsmechanik kombiniert Wilshire-Gleichungen mit der Kontinuumsschädigungsmechanik, um Kriechverformung, minimale Kriechrate, Schädigung und Zeitstandbruchlebensdauer für P91-Stahl vorherzusagen. Vor der Veröffentlichung sollten die Namen der Autoren anhand des verknüpften Datensatzes überprüft und nicht aus anderen Angaben abgeleitet werden. Die Ergebnisse beschreiben weiterhin ein Modell und einen Datensatz und nicht jede P91-Schweißnaht oder jede Betriebshistorie.

Eine Übereinstimmung zwischen modellierter Dehnung und gemessener Ausbeulung ist ermutigend, bestätigt jedoch nicht automatisch die Zeitstandbruchlebensdauer. Eine Abweichung kann auf eine falsche Temperatur, eine unterschätzte lokale Spannung, Werkstoffstreuung, eine Schädigung der Schweißnaht oder einen anderen Schädigungsmechanismus hinweisen. Eine belastbare Bewertung legt diese konkurrierenden Erklärungen offen und zeigt, wie sich das geschätzte Intervall verändert, wenn sie berücksichtigt werden.

Auslegungs- und Regelwerke legen fest, wie Nachweise interpretiert werden. ASME BPVC Section II, Part D enthält Werkstoffeigenschaften, während ASME Section III, Division 5 Konstruktionsregeln für Hochtemperatur-Reaktorkomponenten behandelt. Die Richtlinie 2014/68/EU verlangt, dass kriechbezogene Eigenschaften und vorgeschriebene Grenzwerte berücksichtigt werden, wenn Kriechen bei der Auslegung von Druckgeräten von Bedeutung ist. Diese Regelwerke begrenzen die Bewertung; sie wandeln eine Inspektion jedoch nicht in einen garantierten Wert für die Betriebslebensdauer um. Das belastbare Ergebnis ist ein dokumentierter Bereich, der an den festgestellten Zustand, glaubwürdige Belastungshistorien, Werkstoffnachweise sowie einen angegebenen Bruch- oder Verformungsgrenzwert gebunden ist.

Wie Kriechdaten verglichen werden, ohne sie falsch zu interpretieren

Eine Kriechkurve ist keine Werkstoffkonstante. Sie beschreibt die Reaktion einer bestimmten Probe, die einem bestimmten Produkt und einer bestimmten Charge entnommen und bei einer festgelegten Temperatur und Spannung über eine festgelegte Dauer geprüft wurde. Vor dem Vergleich zweier Kurven sind die vollständigen Prüfbedingungen zu dokumentieren: Stahlsorte und Spezifikation, Produktform, Wärmebehandlung, Probenausrichtung, Abmessungen der Messlänge, aufgebrachte Spannung und deren Berechnung, Prüftemperatur und Regelungstoleranz, Atmosphäre, Verfahren zur Dehnungsmessung, Prüfdauer sowie die Frage, ob die Probe gebrochen ist.

Diese Unterscheidung ist wichtig, weil Kriechen eine zeitabhängige Verformung unter anhaltender Last und Temperatur ist, während sich der Spannungsbruch hauptsächlich auf die Zeit bis zum Bruch konzentriert. ASTM E139-11(2018), veröffentlicht von ASTM International, behandelt die Messung der Verformung als Funktion der Zeit bei Kriechversuchen sowie die Zeit bis zum Bruch bei Kriechbruch- und Spannungsbruchversuchen unter konstanter Zugkraft und Temperatur. Eine Zeitstandfestigkeitskurve kann daher keine Frage zur zulässigen Dehnung beantworten, sofern keine begleitenden Verformungsdaten vorliegen. Ebenso kann ein kurzer Kriechversuch keine belastbare Betriebsgrenze für 100.000 Stunden festlegen.

Achsen für Spannung, Temperatur und Bruchzeit

Lesen Sie beide Achsen, bevor Sie die scheinbare Rangfolge der Kurven beurteilen. Bruchdaten werden üblicherweise als Spannung über der Bruchzeit bei festgelegten Temperaturen dargestellt; die Darstellung kann jedoch linear, logarithmisch oder mithilfe eines Parameters wie Larson–Miller oder Manson–Haferd transformiert sein. Eine Kurve, die in einer Darstellung nahezu geradlinig erscheint, kann in einer anderen ihre Steigung ändern, insbesondere wenn sich der maßgebliche Mechanismus vom Versetzungskriechen zu diffusionsunterstützter Verformung, einer Schädigung der Korngrenzen oder einer Instabilität der Ausscheidungen verändert.

Auch die Spannung muss präzise definiert werden. Nennspannung nach den Regeln der technischen Mechanik, wahre Spannung sowie die aus der ursprünglichen oder der sich verändernden Querschnittsfläche berechnete Spannung sind bei Versuchen mit erheblicher Verformung nicht austauschbar. Die Temperatur ist gleichermaßen wichtig. Eine Abweichung von nur einigen Zehn Grad kann eine starke Änderung der Bruchzeit verursachen, während ein Temperaturgradient durch eine dicke Probe einen irreführenden Mittelwert erzeugen kann. Dokumentieren Sie, ob es sich bei der angegebenen Temperatur um die Ofen-, Proben- oder Messlängentemperatur handelt.

Der Datensatz der National Institute for Materials Science (NIMS) zur Sorte 91 veranschaulicht das Ausmaß des Vergleichsproblems. Die Daten für den Stahl 9Cr-1Mo-V-Nb decken 450 bis 725 °C und 30 bis 450 MPa ab; die Kriechbruchfestigkeit wird für 100, 1.000, 10.000 und 100.000 Stunden angegeben. Diese vier Zeitpunkte sind keine austauschbaren Messgrößen für die „Hochtemperaturfestigkeit“. Ein Stahl kann nach 100 Stunden noch eine hohe Spannung ertragen, bei 100.000 Stunden jedoch stark abfallen, wenn sein Gefüge vergröbert oder seine Ausscheidungen ihre Wirksamkeit verlieren.

Langzeitwerte werden häufig aus kürzeren Versuchen mithilfe angepasster Gleichungen geschätzt. NUREG/CR-6150, das 1994 von der U.S. Nuclear Regulatory Commission herausgegeben wurde, beschreibt die Ansätze nach Larson–Miller und Manson–Haferd für Kohlenstoffstähle und nichtrostende Stähle. Solche Parameter sind Werkzeuge zur Interpolation und keine Erlaubnis, Veränderungen des Schädigungsmechanismus zu ignorieren. Im Jahr 2022 wurde für den Stahl P91 ein Modell veröffentlicht, das Wilshire-Gleichungen mit der Kontinuumsschädigungsmechanik kombiniert, um Kriechverformung, minimale Kriechrate, Schädigung und Spannungsbruchlebensdauer vorherzusagen. Sein Zweck besteht darin, mehr als eine einfache Extrapolation entlang einer einzigen Geraden abzubilden.

Streuung, zensierte Versuche und Chargenunterschiede

Kriechdaten streuen, weil sich Stähle von Charge zu Charge unterscheiden und weil geringfügige Unterschiede bei Korngröße, vorheriger Austenitkorngrenzenstruktur, Karbidverteilung, Ausscheidungspopulation, Anlassen und Kaltverformung sowohl die Verformungsgeschwindigkeit als auch die Bruchart verändern können. Die Sorte 91 ist ein klares Beispiel: Ihr angelassenes martensitisches Gefüge hängt von der Normalisierungs- und Anlasspraxis ab, und eine Langzeitbeanspruchung kann die Lattenstruktur und die Ausscheidungen verändern. K. Natesan von der International Atomic Energy Agency hat zyklische Erweichung, Abhängigkeit von der Dehnrate, thermische Alterung, Umgebungseinflüsse und Gefügeänderungen als wichtige Faktoren bei der Auslegung gegen Kriechermüdung für die Sorte 91 identifiziert.

Ein Versuch, bei dem kein Bruch eingetreten ist, stellt keinen fehlgeschlagenen Datenpunkt dar. Es handelt sich um eine zensierte Beobachtung: Die Probe hat mindestens bis zum Zeitpunkt der Unterbrechung überlebt, ihre letztendliche Bruchlebensdauer ist jedoch unbekannt. Unterbrochene Versuche sind getrennt von tatsächlichen Bruchergebnissen zu kennzeichnen. Eine Kurve, die ausschließlich an gebrochene Proben angepasst wurde, kann die Überlebenswahrscheinlichkeit unterschätzen, während die Behandlung jedes unterbrochenen Versuchs so, als wäre die Probe zum Abbruchzeitpunkt gebrochen, die Lebensdauer unterschätzen kann. Geben Sie auch den Grund für die Unterbrechung an – ein Geräteausfall, eine planmäßige Entnahme, Oxidation, eine Leckage oder eine geplante Inspektion können unterschiedliche Auswirkungen haben.

Verwechseln Sie einen Mittelwerttrend nicht mit einem Auslegungswert. Eine Regression durch die Mitte eines Datensatzes beschreibt das erwartete Verhalten der geprüften Population; sie liefert jedoch keine sichere zulässige Spannung. Auslegungsregeln können Anpassungen an die untere Grenze, Streufaktoren, Mindestanforderungen an Eigenschaften, Schädigungsanteile oder Begrenzungen der Gesamtdehnung und Bruchlebensdauer vorsehen. NIST bezeichnet Kriechbruchdaten als eine wesentliche Klasse mechanischer Eigenschaftsdaten, die zur Bewertung von Metallen bei erhöhter Temperatur benötigt werden. ASME BPVC Section II, Part D enthält Auslegungskennwerte für Werkstoffe, während ASME Section III, Division 5 Konstruktionsregeln für Hochtemperaturreaktorkomponenten behandelt. Die Richtlinie 2014/68/EU verlangt ebenfalls kriechbezogene Eigenschaften und vorgeschriebene Grenzwerte, wenn Kriechen bei der Auslegung von Druckgeräten von Bedeutung ist.

Vergleiche von Rohren, Blechen, Leitungen, Gussteilen und Schweißnähten

Die Produktform ist Bestandteil der Werkstoffbeschreibung. Für Rohre, Bleche und Leitungen können unterschiedliche Umformgrade, Wärmebehandlungen, Wandbereiche und Probenahmerichtungen verwendet werden. Eine Längsprobe aus einem Rohr repräsentiert nicht zwangsläufig eine Querprobe aus einem Blech. Die Wanddicke beeinflusst die Abkühlgeschwindigkeit und damit die Korngröße sowie die Verteilung der Ausscheidungen. Auch der Oberflächenzustand und eine Entkohlung können eine kleine Bruchprobe überproportional beeinflussen.

Bei Gussteilen ist noch größere Vorsicht erforderlich. ASTM A1091/A1091M behandelt Gussstücke aus ferritischem, kriechfestigkeitssteigerndem legiertem Stahl der Sorte C91 für drucktragende Bauteile. Ihr angelassenes martensitisches oder bainitisches Gefüge wird durch ausgeschiedene Partikel stabilisiert; gleichzeitig führen Seigerungen, Porosität, Wanddicke und die örtliche Erstarrungsstruktur zu Vergleichsbedingungen, die nicht allein anhand der Sortenbezeichnung beurteilt werden können. Daten zu „C91“-Gussteilen sollten nicht unmittelbar den Daten für gewalzte oder geschmiedete Rohre aus der Sorte 91 gegenübergestellt werden, ohne Spezifikation, Verarbeitung, Wärmebehandlung und Probenahmeort zu prüfen.

Geschweißte Bauteile umfassen mehrere klar voneinander zu unterscheidende Bereiche: Schweißgut, Schmelzgrenze, grobkörnige Wärmeeinflusszone, feinkörnige oder interkritische Wärmeeinflusszone sowie unbeeinflusstes Grundmetall. Der schwächste Bereich kann den Bruch bestimmen, selbst wenn die Kurve des Grundmetalls günstig aussieht. Schweißverfahren, Wärmebehandlung nach dem Schweißen, Reparaturhistorie, Eigenspannung und Lage der Kerbe in der Probe müssen daher zusammen mit dem Ergebnis angegeben werden.

Verwerfen Sie schließlich zwei naheliegende Abkürzungen. Die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur sagt die langfristige Kriechbeständigkeit nicht voraus, und ein einziges Bruchergebnis mit kurzer Prüfdauer begründet keine Rangfolge für den Betrieb. Vergleichen Sie zuerst gleiche Spannung, Temperatur und Zeitskala sowie gleiche Produktform, Ausrichtung, Behandlung und Bruchstelle. Erst danach sollte eine Kurve für die Auslegung verwendet werden.

Häufige Fehler bei der Auswahl und Analyse von Stählen für hohe Temperaturen

Die Kriechfestigkeit als Einzelwert behandeln

Die Zeitstandauslegung sollte zeit- und temperaturabhängige, produktspezifische Nachweise anstelle eines einzelnen Hochtemperaturfestigkeitswerts verwenden. Strong evidence

Ein Stahl besitzt keine universelle „Hochtemperaturfestigkeit“. Seine zulässige Spannung hängt von der Temperatur, der Einwirkungsdauer, dem Spannungszustand, der Dehnungsgrenze, der Produktform, dem Gefüge, der Umgebung und dem jeweils bewerteten Versagensmechanismus ab. Ein kurzfristiges Zugergebnis kann den Widerstand gegen eine schnelle Belastung bei 600 °C beschreiben, kann jedoch nicht als Maß für die Maßstabilität über 100.000 Stunden bei derselben Temperatur dienen.

Kriechen und Zeitstandbruch sind miteinander verwandte, aber unterschiedliche Messgrößen. Beim Kriechen geht es um die zeitabhängige Dehnung unter einer anhaltenden Belastung; beim Zeitstandbruch wird die Zeit bis zum Bruch erfasst. ASTM E139-11(2018), die Prüfnorm von ASTM International, trennt diese Zwecke, indem sie bei Kriechversuchen die Verformung als Funktion der Zeit und bei Kriechbruch- und Spannungsbruchversuchen die Zeit bis zum Bruch unter konstanter Zugkraft und Temperatur behandelt. Ein Bauteil kann daher seine Auslegungsanforderung durch übermäßige Dehnung, örtliche Instabilität, Leckage oder den Verlust des Spiels nicht mehr erfüllen, bevor eine Zeitstandbruchprobe bricht.

Der Datensatz für NIMS Grade 91 veranschaulicht, weshalb ein Einzelwert irreführend ist. Für Rohre, Bleche und Leitungen aus 9Cr-1Mo-V-Nb-Stahl umfasst die Datenbank den Bereich von 450 bis 725 °C und 30 bis 450 MPa; außerdem werden Bruchfestigkeiten nach 100, 1.000, 10.000 und 100.000 Stunden angegeben. Diese Werte sind keine austauschbaren Punkte in einer einzigen Festigkeitstabelle. Sie beschreiben eine Fläche im Spannungs-Temperatur-Zeit-Raum, und der relevante Punkt muss zur Betriebsgeschichte passen. NIMS unterhält außerdem systematisch erhobene Daten für Kohlenstoffstähle, niedriglegierte Stähle, hochchromhaltige Stähle und austenitische hitzebeständige Stähle. NIST bezeichnet Zeitstandbruchdaten als eine bedeutende Klasse mechanischer Eigenschaftsdaten, die zur Bewertung von Metallen bei erhöhten Temperaturen benötigt werden.

Grade 91 macht einen weiteren häufigen Fehler sichtbar: die Annahme, dass sich jede Produktform identisch verhält. Rohre, Bleche, Leitungen, Schmiedestücke, Schweißgut und Wärmeeinflusszonen können sich hinsichtlich der ehemaligen Austenitkorngröße, des Anlasszustands, der Ausscheidungspopulation, der Eigenspannung und der Verarbeitungsgeschichte unterscheiden. P91 ist ein angelassener martensitischer Stahl, dessen Kriechbeständigkeit stark von seiner Lattenstruktur und seinen Ausscheidungen abhängt. ASTM A1091/A1091M Grade C91 gilt für Gussstücke für drucktragende Teile, bei denen ein angelassenes martensitisches oder bainitisches Gefüge durch ausgeschiedene Partikel stabilisiert wird. „Grade 91“ liefert für eine Bewertung nicht genügend Informationen; Spezifikation, Produktform, Wärmebehandlung, Schweißzustand und rückverfolgbare Prüfdaten sind entscheidend.

Der Ersatz für den Ansatz mit einem Einzelwert ist ein zeit- und temperaturabhängiges Werkstoffmodell, das durch produktspezifische Daten gestützt wird. Auslegungswerte müssen anschließend den maßgebenden Regelwerken entnommen werden und dürfen nicht aus einer attraktiven Zugfestigkeitszahl rekonstruiert werden. ASME BPVC Section II, Part D enthält Auslegungskennwerte für Werkstoffe, während ASME BPVC Section III, Division 5 Konstruktionsregeln für Hochtemperatur-Reaktorkomponenten festlegt. Wo Kriechen bei Druckgeräten von Bedeutung ist, verlangt die Richtlinie 2014/68/EU, dass kriechbezogene Eigenschaften und vorgeschriebene Grenzwerte für ferritische und austenitische Stähle berücksichtigt werden.

Zeit und instationäre Vorgänge ignorieren

Eine Prüfung bei konstanter Temperatur und konstanter Last ist nützlich, doch Anlagenkomponenten sind nur selten einer solchen Belastungsgeschichte ausgesetzt. Kessel, Sammler, Reaktorkomponenten und Dampfleitungen durchlaufen Anfahrvorgänge, Abschaltungen, Laständerungen, thermische Schichtung, Schwingungen und gelegentliche Überlastungen. Diese Vorgänge verändern Spannungs- und Dehnraten, erzeugen Temperaturgradienten und können eine Ermüdung mit Kriechen überlagern.

Das Ignorieren instationärer Vorgänge ist bei Grade 91 besonders gefährlich. Das IAEA-Material von K. Natesan zur Kriech-Ermüdungs-Auslegung nennt zyklische Weichung, die Abhängigkeit von der Dehnrate, thermische Alterung, Umwelteinflüsse und Gefügeänderungen als wichtige Faktoren bei ferritischem Grade 91. Eine Berechnung, die ausschließlich auf stationärem Kriechen beruht, kann die Spannungsrelaxation während einer Haltezeit, die plastische Dehnung bei einer schnellen Temperaturänderung oder die Schäden übersehen, die entstehen, wenn ein erweichter Bereich Last übernimmt.

Auch die thermische Alterung verändert den Werkstoff während des Betriebs. Angelassene martensitische Stähle können ihre Versetzungsstruktur verlieren, Ausscheidungen können sich vergröbern oder umwandeln, und in der Nähe von Schweißnähten kann sich ein örtlich begrenzter Schaden entwickeln. Karbidreaktionen und Umwelteinwirkungen können den Widerstand vermindern, ohne dass sich die nominelle Sortenbezeichnung ändert. Die Kapitel von ASM International zu Versagen durch Kriechen und Zeitstandbruch sowie zur Auslegung für Hochtemperaturanwendungen stellen diese Mechanismen neben Verformungsgeschwindigkeit, Bruchart, metallurgischer Instabilität, Umwelteinflüssen und der Wechselwirkung zwischen Kriechen und Ermüdung. Sie sind keine optionalen Korrekturen, die erst nach einer grundlegenden Spannungsprüfung angewendet werden.

Die Analyse sollte die tatsächliche Temperatur-Spannungs-Geschichte nachbilden, den Betrieb in relevante Haltezeiten und instationäre Vorgänge unterteilen und eine anerkannte Schadens- oder Dehnungsmethode verwenden. Für die Bruchbewertung können Schadensakkumulationsberechnungen angemessen sein, wenn ihre Annahmen zur Werkstoff- und Belastungsgeschichte passen. NUREG/CR-6150, 1994 von der U.S. Nuclear Regulatory Commission veröffentlicht, beschreibt die Modellierung von Zeitstandbruchschäden unter Verwendung der Larson-Miller- und Manson-Haferd-Parameter für Kohlenstoff- und nichtrostende Stähle. Diese Parameter strukturieren die Daten; sie machen jedoch die Prüfung von Dehnungsakkumulation, Schweißeinflüssen, zyklischer Belastung und Alterung nicht überflüssig.

Über die Beleglage hinaus extrapolieren

Lange Betriebsdauern verleiten zu aggressiver Kurvenanpassung. Eine Handvoll Versuche mit einer Dauer von einigen tausend Stunden wird mit einer Larson-Miller-Beziehung angepasst und anschließend auf mehrere Jahrzehnte erweitert, als könne sich der maßgebende Mechanismus nicht ändern. Das ist eine Annahme und keine Messung.

Langfristige Extrapolationen werden unzuverlässig, wenn Ausscheidung, Erholung, Korngrenzenkavitation, Oxidation oder ein anderer Schädigungsprozess das Verhalten zu bestimmen beginnt. Eine Kurve, die gut zu Zeitstandbruchdaten mit kurzer Versuchsdauer passt, kann die falsche Steigung vorhersagen, sobald der Werkstoff in einen anderen Bereich eintritt. Die NIMS-Reihe für Grade 91 reicht deshalb bis zu Berichtsintervallen von 100.000 Stunden: Für die Bewertung der Lebensdauer werden Daten benötigt, die nahe an der beanspruchten Zeitskala liegen, und nicht lediglich eine elegante Gleichung.

Eine belastbare Extrapolation prüft Residuen, die Abdeckung von Temperatur und Spannung, die Produktform, die Zensierung nicht gebrochener Versuche sowie die Frage, ob der angepasste Mechanismus weiterhin physikalisch plausibel ist. Sie sollte mit unabhängigen Schmelzen und Ergebnissen längerer Versuche verglichen werden. Die auf dem Wilshire-Ansatz beruhende Studie zur Kontinuumsschädigungsmechanik von 2022 für P91 verbindet Wilshire-Gleichungen mit der Kontinuumsschädigungsmechanik, um Kriechverformung, minimale Kriechrate, Schädigung und Zeitstandbruchlebensdauer vorherzusagen. Das ist informativer als die Anpassung ausschließlich an die Bruchzeit; die Autoren und der genaue Datensatz sollten jedoch vor der Veröffentlichung anhand des Eintrags des U.S. Department of Energy bei OSTI überprüft werden.

Die praktische Regel ist streng: Eine angepasste Kurve darf niemals außerhalb ihres nachgewiesenen Temperatur-, Spannungs-, Gefüge- und Zeitbereichs erweitert werden, ohne eine ausgewiesene Unsicherheit und eine Überprüfung des Mechanismus vorzunehmen. Wenn die Beleglage dünn ist, sind konservative Werte aus Regelwerken, die Überwachung von Komponenten, metallografische Replikauntersuchungen und eine inspektionsbasierte Lebensdauerbewertung der Scheingenauigkeit vorzuziehen. Eine Zahl mit sechs Nachkommastellen bleibt Spekulation, wenn sich der Werkstoffzustand oder der Versagensmechanismus geändert hat.

Referenzrahmen für das Kriechverhalten von Stählen und Zeitstandbruchuntersuchungen

Kriechen und Zeitstandbruch sind miteinander verbundene, jedoch unterschiedliche Themen. Kriechen ist eine zeitabhängige Verformung unter konstanter Last und erhöhter Temperatur; beim Zeitstandbruch steht die bis zum Bruch verstrichene Zeit unter einer festgelegten Spannung und Temperatur im Vordergrund. Eine belastbare Dokumentation benötigt daher mehr als einen einzelnen Wert für die „Hochtemperaturfestigkeit“. Sie muss das Prüfverfahren, den Werkstoffzustand, den Verformungsverlauf, das Bruchergebnis und die zur Interpretation des Ergebnisses verwendete Auslegungsregel miteinander verknüpfen.

Quellen von ASTM, ASM, NIMS und NIST

ASTM E139-11(2018), veröffentlicht von ASTM International, ist die maßgebliche Referenz für Prüfverfahren an metallischen Werkstoffen, die einer konstanten Zugkraft und Temperatur ausgesetzt werden. Die Norm behandelt die Messung der Verformung als Funktion der Zeit bei Kriechversuchen sowie die Messung der Zeit bis zum Bruch bei Kriechbruch- und Zeitstandbruchversuchen. Die Norm macht nicht aus jedem Ergebnis automatisch einen zulässigen Auslegungswert. Sie legt fest, wie das Experiment durchgeführt und dokumentiert wird, einschließlich der Proben- und Prüfbedingungen, welche die Vergleichbarkeit bestimmen.

ASM International liefert die metallurgische Erläuterung, die eine Prüfnorm allein nicht bereitstellen kann. Die Kapitel des ASM Handbook über „Creep and Stress Rupture Failures“ und „Design for High-Temperature Applications“ behandeln Verformungsmechanismen, den Einfluss von Spannung und Temperatur, Brucharten, Umgebungsangriffe, metallurgische Instabilität, Alterung, Karbidreaktionen, die Wechselwirkung von Kriechen und Ermüdung sowie analytische Verfahren für die Auslegung gegen Kriechbruch. Diese Kapitel sind besonders nützlich, wenn sich ein Ergebnis mit der Einwirkungsdauer verändert, weil Ausscheidungen gröber werden, Martensit anlasst, sich das Gefüge entwickelt oder Oxidation den wirksamen Querschnitt verändert.

NIMS stellt eine systematischere Datenquelle bereit. Die Datenbank des National Institute for Materials Science zu Kriechdaten umfasst Kohlenstoffstähle, niedriglegierte Stähle, hochchromhaltige Stähle und austenitische warmfeste Stähle. Der Datensatz für Grade 91 aus dem Jahr 2024 umfasst Rohre, Bleche und Leitungen aus 9Cr-1Mo-V-Nb-Stahl bei 450 bis 725 °C und 30 bis 450 MPa. Die Zeitstandfestigkeit wird für 100, 1.000, 10.000 und 100.000 Stunden angegeben. Diese Bandbreite zeigt, weshalb ein Wert ohne Zeitbezug irreführend sein kann: Derselbe Werkstoff kann bei 1.000 und 100.000 Stunden erheblich unterschiedliche nutzbare Spannungsniveaus aufweisen.

Auch die Werkstoffbezeichnungen müssen präzise beibehalten werden. ASTM A1091/A1091M behandelt Gussstücke aus ferritischem, legiertem, kriechfestigkeitsverbessertem Stahl der Güteklasse C91 für druckführende Teile. Ihr angelassenes martensitisches oder bainitisches Gefüge wird durch ausgeschiedene Partikel stabilisiert, die die Zeitstandfestigkeit erhöhen; die Bezeichnung entbindet jedoch nicht von der Notwendigkeit, Gusszustand, Wärmebehandlung, Wanddicke und Betriebseinwirkung zu dokumentieren.

NIST bezeichnet Kriechbruchdaten als eine wesentliche Klasse mechanischer Werkstoffdaten, die für die Bewertung von Metallen bei erhöhter Temperatur benötigt werden. Die Hinweise von NIST zu Datenquellen sind für Redakteure wertvoll, weil sie einzelne Kurven in den umfassenderen Zusammenhang belastbarer Nachweise zu Werkstoffeigenschaften einordnen, anstatt einen Datenbankeintrag als selbsterklärend zu behandeln.

Eine vom U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information erfasste Studie aus dem Jahr 2022 kombiniert Wilshire-Gleichungen mit der Kontinuumsschädigungsmechanik, um Kriechverformung, minimale Kriechrate, Schädigung und Zeitstandbruchlebensdauer für P91-Stahl vorherzusagen. Der verknüpfte Datensatz sollte vor der Veröffentlichung auf die genauen Namen der Autoren der Studie geprüft werden; diese sollten nicht aus einem Sekundärzitat abgeleitet werden.

Quellen von ASME, EU, IAEA und NRC

Auslegungsvorschriften bestimmen, wie Prüfdaten in zulässige Spannungen, Grenzwerte oder Schädigungsbewertungen überführt werden. Die Richtlinie 2014/68/EU der Europäischen Union, die Druckgeräterichtlinie, verlangt, dass kriechbezogene Werkstoffeigenschaften und vorgeschriebene Grenzwerte berücksichtigt werden, wenn Kriechen für die Auslegung von Druckgeräten von Bedeutung ist. Für ferritische und austenitische Stähle müssen zulässige Spannungen das anwendbare Langzeitverhalten des Werkstoffs widerspiegeln und dürfen sich nicht nur auf die Zugfestigkeit bei kurzer Versuchsdauer stützen.

ASME BPVC Section II, Part D enthält Auslegungskennwerte für Werkstoffe, einschließlich der bei Berechnungen nach dem Regelwerk verwendeten Werte. ASME BPVC Section III, Division 5 behandelt Konstruktionsregeln für Hochtemperatur-Reaktorkomponenten, bei denen zeitabhängige Verformung, die Wechselwirkung von Kriechen und Ermüdung sowie Alterung die Lebensdauer eines Bauteils bestimmen können. Ein Bericht sollte die angewendete Ausgabe und den angewendeten Unterabschnitt nennen, da Werte und Bewertungsverfahren des Regelwerks zwischen Ausgaben oder Rechtsordnungen nicht austauschbar sind.

Ein Beitrag der IAEA von K. Natesan zu ferritischem Stahl der Güteklasse Grade 91 benennt zyklische Erweichung, Abhängigkeit von der Dehnrate, thermische Alterung, Umwelteinflüsse und Gefügeänderungen als Faktoren bei der Auslegung gegen Kriechermüdung. Grade 91 kann nicht allein anhand monotoner Kriechdaten bewertet werden, wenn der Betrieb wiederholte An- und Abfahrvorgänge, Temperaturgradienten oder Lastwechsel umfasst.

Für Schädigungsberechnungen beschreibt U.S. Nuclear Regulatory Commission NUREG/CR-6150 (1994) die Modellierung der Zeitstandbruchschädigung mit Larson-Miller- und Manson-Haferd-Parametern für Werkstoffe wie Kohlenstoffstahl und nichtrostenden Stahl. Diese Parameter sind Werkzeuge zur Extrapolation und keine physikalischen Konstanten. Ihre Gültigkeit hängt vom Bereich der Quelldaten, von der angepassten Spannungs-Temperatur-Beziehung, von der Definition des Versagens und vom Vertrauen in Vorhersagen für lange Zeiträume ab.

Inhalt einer belastbaren technischen Dokumentation

Eine belastbare Dokumentation beginnt mit der genauen Gütebezeichnung und Norm, gegebenenfalls einschließlich der maßgeblichen Revision: Grade 91, P91 oder ASTM A1091/A1091M Grade C91 sind beispielsweise keine austauschbaren Bezeichnungen. Zu dokumentieren sind die Produktform – Rohr, Blech, Leitung, Schmiedestück oder Gussstück – sowie Schmelzennummer, Orientierung, Abmessungen, Kornzustand, Lieferzustand und die vollständige Wärmebehandlung.

Der Prüfdatensatz sollte die aufgebrachte Spannung, die Spannungsart, die Temperatur, die Atmosphäre, die Probengeometrie, das Belastungsverfahren, die Versuchsdauer, Unterbrechungen und die Kalibrierpraxis angeben. Der vollständige Verlauf von Dehnung und Zeit ist aufzubewahren, nicht lediglich die minimale Kriechrate oder die Bruchdehnung. Es ist anzugeben, ob ein Bruch auftrat, wann er auftrat, wo der Bruch entstand und ob Einschnürung, Kavitation, Oxidation, Rissbildung oder andere Schädigungen beobachtet wurden.

Schließlich sind das Extrapolations- oder Schädigungsmodell, seine angepassten Parameter, die Datengrenzen, die Behandlung der Unsicherheit sowie sämtliche Annahmen zur metallurgischen Stabilität und zur Umwelteinwirkung anzugeben. Zu nennen sind die anwendbare Norm oder Richtlinie, die Ausgabe, die Auslegungstemperatur, die Auslegungslebensdauer, die Grundlage für die zulässige Spannung und das Verfahren zur Bewertung der Kriechermüdung. Ohne diese Angaben ist eine gemeldete „Kriechfestigkeit“ lediglich ein Datenpunkt, losgelöst von den Bedingungen, die ihm seine Bedeutung verleihen.

Quellen

1. [1]ASTM International. ASTM E139-11(2018), Standard Test Methods for Conducting Creep, Creep-Rupture, and Stress-Rupture Tests of Metallic Materials. ASTM International standard, 2018. ASTM E139-11(2018)
2. [2]U.S. Nuclear Regulatory Commission. NUREG/CR-6150: Creep-Rupture Damage Modeling. U.S. Nuclear Regulatory Commission report, 1994. NUREG/CR-6150
3. [3]Authors to be verified against the linked record. Wilshire-equation and continuum-damage-mechanics study of P91 steel. U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information record, 2022. U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information linked record