DE3785411T2 - Verfahren zur Voraussagung der übrigbleibenden Lebensdauer eines Metallmaterials. - Google Patents

Verfahren zur Voraussagung der übrigbleibenden Lebensdauer eines Metallmaterials.

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Description

    Hintergrund der Erfindung 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorhersagen der restlichen Lebensdauer eines Metallmaterials, insbesondere ein Verfahren zum Vorhersagen der restlichen Lebensdauer eines Metallmaterials, das normalerweise für einen Kessel oder dgl. verwendet wird und das auf Grund der Verwendung unter hohem Druck bei hoher Temperatur einen Kriechschaden erlitten hat.
  • 2. Beschreibung der verwandten Technik
  • Es ist allgemein bekannt, daß bei Einrichtungen, die lange unter hohem Druck und bei hoher Temperatur verwendet werden, zum Beispiel in Wärmekraftwerken oder chemischen Anlagen, die für Bauteile dieser Einrichtung verwendeten Materialien einen Kriechschaden erleiden können, wodurch die Qualität des Materials verschlechtert wird, während die Einrichtung in Betrieb ist. Eine solche Verschlechterung der Qualität des Materials wird beherrscht durch Faktoren, wie Metalltemperatur, Arbeitsspannung und Betriebsdauer. Im Fall von Kesseln für Wärmekraftwerke ist es daher übliche Praxis, die Qualität und Abmessung des zu verwendeten Materials unter Beachtung dieser beherrschenden Faktoren zu bestimmen, um eine Lebensdauer zu gewährleisten, die normalerweise einhundertausend Stunden entspricht (ungefähr 15 Jahre im Fall eines normalen Betriebs).
  • Jedoch tritt bei solchen Kesseln häufig eine Störung auf, bei der das Material in einigen zehntausend Stunden beschädigt wird. Diese Störung wird verursacht durch einen unerwarteten Anstieg der Metalltemperatur auf Grund eines Abtreibens usw. von Verbrennungsgas und durch eine abnormale Verschlechterung der Qualität des Materials auf Grund einer Entmischung im Material, zum Beispiel Sigma-Phasenversprödung usw. Außerdem hat sich kürzlich die Anzahl der Kraftwerke vergrößert, die die ausgelegte Lebensdauer von einhuntertausend Stunden überschreiten. Da ein Atomkraftwerk unter einem Basisbelastungszustand betrieben wird, ist zusätzlich zu erwarten, daß es schweren Betriebsbedingungen ausgesetzt wird, etwa einem Zwischenlastbetrieb und einer täglichen Wiederholung von Start und Stopp. Aus diesen Gründen wurde die Entwicklung von Techniken notwendig, die eine Ausdehnung der Lebensdauer der Anlage ermöglichen durch genaues Vorhersagen der restlichen Lebensdauer des Materials und durch Vorschlagen der Zeiteinteilung für Reparatur und Ersatz.
  • Verfahren zum Erfassen der Verschlechterung der Materialqualität werden in zwei Haupttypen unterteilt, nämlich zerstörende und nicht zerstörende Verfahren. Zerstörende Verfahren sind solche, die eine restliche Lebensdauer vorhersagen durch Probenentnahme eines Teils eines Bauteils einer tatsächlich verwendeten Einrichtung, gefolgt von einer Mikrographie, einem Zugtest, einem Kriechtest, einem Stoßtest usw. in Kombination mit einer Belastungsanalyse. Das nachfolgende Voraussagungsverfahren unter Verwendung von Metallstrukturproben eines Materials ist als typisches Beispiel eines zerstörenden Verfahrens bekannt. Bei diesem Verfahren werden nämlich eine Anzahl von Standardmetallstrukturen vorher unter verschiedenen Laborbedingungen erzeugt und mit einer Metallstrukturprobe verglichen, die einem Bauteil einer tatsächlich verwendeten Einrichtung entnommen sind, wodurch die Lebensdauer des Materials des Bauteils vorhergesagt wird (vergleiche zum Beispiel Nippon Kokan Giiutsu Nr. 62, Seiten 531 bis 558). Ein bei diesem Verfahren verwendeter Hinweis ist die Zersetzung und Anhäufung eines Perlits im Fall von Cr-Mo- Stählen, während im Fall von nichtrostendem Stahl die Ausfällung und Anhäufung von Carbid in der Korngrenze und im Korn oder der Zustand der Ausfällung einer Sigma-Phase als Hinweis verwendet wird. Es gibt zum Beispiel eine Technik des Vorhersagens der restlichen Lebensdauer von nichtrostendem Stahl SUS 321 aus der Beziehung zwischen der Menge der Ausfällung der Sigma-Phase und dem Kriechschaden in diesem Stahl (vergleiche die offengelegte japanische Patentanmeldung 201066/83 und Karyoku Genshiryoku Hatsuden, Band 33, Nr. 9, Seiten 899 bis 912). Es gibt eine weitere Technik des Vorhersagens der restlichen Lebensdauer aus der Anzahl von durch Kriechen erzeugten Hohlräumen (vergleiche Zairyo, Band 28, Nr. 308, Seiten 372 bis 378).
  • Das oben genannte Vorhersageverfahren unter Verwendung der quantitativen Bestimmung der Sigma-Phase ist wirksam, beinhaltet jedoch die folgenden Probleme. Es ist nämlich die Art des Materials, die bei diesem Verfahren gehandhabt werden kann, auf nichtrostenden Stahl oder Stahl mit hohem Chromgehalt beschränkt, wobei der Ausfällzustand der Sigma-Phase selbst im gleichen nichtrostenden Stahl auf Grund einer geringen Differenz des chemischen Zusammensetzung variiert. Ferner ist ein Vorhersageverfahren unter Verwendung der quantitativen Bestimmung eines Kriechhohlraums wirksam, beinhaltet jedoch die folgenden Probleme. Es ist nämlich die Art des Materials, das bei diesem Verfahren gehandhabt werden kann, auf ein Material von geringer transgranularer Verformbarkeit beschränkt, etwa auf nichtrostenden Stahl oder Stahl mit hohem Chromgehalt (zum Beispiel HK 40), so daß die Anwendung dieses Verfahrens auf ein Material von hoher transgranularer Verformbarkeit, etwa niedrig legiertem Stahl für Kessel, schwierig ist, da in diesem Material Kriechhohlräume nur schwer gebildet werden.
  • Nicht zerstörende Verfahren sind Verfahren zum indirekten Vorhersagen einer restlichen Lebensdauer durch Erfassen einer Änderung in der Metallstruktur, etwa der Zersetzung durch Erhitzen oder Kriechen, und einer physikalischen Änderung durch Bildung von Hohlräumen.
  • In diesem Fall sind verschiedene Arten von physikalischen Größen verfügbar, wobei die folgenden Sachverhalte bereits im praktischen Gebrauch sind oder noch untersucht werden: zum Beispiel elektrischer Widerstand (japanische offengelegte Patentanmeldung 60248/83), Ultraschallgeschwindigkeit (japanische offengelegte Patentanmeldung 120585/78) und Fehlorientierung durch Röntgenstrahlen und Spulenimpedanz durch Wirbelstrom (japanische offengelegte Patentanmeldung 88781/78).
  • Die nicht zerstörenden Verfahren umfassen im allgemeinen die folgenden Probleme. Erstens wird eine Hochpräzisionsvorrichtung benötigt, da extrem kleine Änderungen erfaßt werden müssen, um Änderungen der physikalischen Größen, wie elektrischer Widerstand, zu erfassen, die durch mikroskopische Änderungen der Struktur eines Metallmaterials verursacht werden können. Ferner besteht eine Möglichkeit, daß ein großer Fehler auf Grund der Handhabung der Vorrichtung, der Meßumgebung usw., auftreten kann. Anders als bei Turbinen sind insbesondere Kessel in einer ungünstigen Meßumgebung angeordnet, was die Ausführung genauer Messungen erschwert. Zusätzlich bestehen Turbinen im allgemeinen aus einem Material, wie Cr- Mo-V-Stahl, mit einem hohen Kohlenstoffanteil, so daß die physikalischen Größen, wie elektrischer Widerstand, bedeutend abnehmen. Da andererseits Kessel aus einem Material, wie 2.1/4 Cr - 1 Mo-Stahl, mit niedrigem Kohlenstoffgehalt bestehen, nehmen die physikalischen Größen nicht stark ab, was die Ausführung einer zufriedenstellenden Auswertung erschwert. Zweitens wird bei diesen nicht zerstörenden Verfahren vorher unter Laborbedingungen eine Stammkurve erzeugt und mit dem Meßergebnis an einem Bauteil einer tatsächlich verwendeten Einrichtung verglichen, um die restliche Lebensdauer dieses Bauteils vorherzusagen. Jedoch werden zu messende physikalische Größen erhalten durch Erfassen von extrem kleinen Änderungen in einem Material, wobei die Absolutwerte der physikalischen Größen in Übereinstimmung mit Änderungen eines Anfangszustands des Materials oder lediglich der Heizbedingungen variieren. Aus diesem Grund muß der Schadensgrad bewertet werden auf der Basis eines Relativwerts zwischen der physikalischen Größe eines beschädigten Materials und derjenigen des Anfangszustands des Materials vor dem Schaden oder in einem lediglich erhitzten Zustand, nämlich nicht auf der Basis des Absolutwerts der physikalischen Größe. Wenn daher die Stammkurve unter Laborbedingungen erzeugt werden soll, muß ein Material verwendet werden, dessen Anfangs zustand derselbe wie derjenige eines Bauteils einer tatsächlich verwendeten Einrichtung ist, deren Lebensdauer gemessen werden soll, d. h. es muß ein Material derselben Charge verwendet werden. Bei den gegenwärtigen Umständen ist es jedoch unmöglich, die Materialien zu erhalten, aus denen die zur Zeit in Betrieb befindlichen Kessel (insbesondere vor 10 oder mehr Jahren hergestellte Kessel) hergestellt wurden. Darüber hinaus könnten die Daten für die Struktur, die Härte und den Kurzzeitzugversuch als Daten des Materials zu dieser Zeit erhalten werden. Es ist jedoch praktisch unmöglich, die Daten für verschiedene physikalische Größen zu erhalten, die bei der Bewertung der Lebensdauer verwendet werden sollen. Da ferner die früheren Verfahren für die damalige Herstellung von Materialien von den gegenwärtigen Verfahren abweichen, ist es sehr schwer, die damaligen Materialien zu reproduzieren.
  • Demnach umfaßt der angegebene Stand der Technik die folgenden Probleme.
  • Bei den zerstörenden Verfahren besteht das zuverlässigste Verfahren für die Vorhersage der restlichen Lebensdauer darin, eine von einer Bauart einer tatsächlich verwendeten Einrichtung entnommene Probe einem Kriechtest zu unterwerfen. Jedoch erfordert dieses Verfahren enorme Kosten und Zeit und ist zusätzlich der durch dieses Verfahren untersuchte Bereich beschränkt. Auch ist bei dem eine Strukturbeobachtung anwendenden Verfahren eine schnelle Auswertung möglich, jedoch eine quantitative Auswertung nur schwer auszuführen, da die Bewertung durch Vergleich mit Standardschliffbildern erfolgt.
  • Zusätzlich wird die Strukturänderung hauptsächlich von der Temperatur und der Zeit beherrscht, während die Beanspruchungswirkung klein ist. Aus diesem Grund ist es schwer, den Kriechschaden unmittelbar der Strukturänderung zuzuordnen.
  • Die PATENT ABSTRACTS OF JAPAN. Band 5, Nr. 115 ((P-72) (787), 24. Juli 1981) und die JP-A-56 55854 offenbaren ein Meßverfahren für die Lebensdauer von warmfestem Stahl, wobei eine Teilchendurchmesser-Häufigkeitskurve der in warmfestem Stahl entwickelten M&sub2;&sub3;C&sub6;-Carbide gebildet und die Kurve mit der Teilchendurchmesser-Häufigkeitskurve der in einem angewendeten warmfesten Stahlteil ausgeschiedenen M&sub2;&sub3;C&sub6;-Carbide verglichen wird.
  • Bei den nicht zerstörenden Verfahren besteht die Möglichkeit für das Auftreten eines Fehlers, da extrem kleine Änderungen der physikalischen Größe eines verwendeten Materials gemessen werden. Da die physikalische Größe auf Grund der Umgebungstemperatur usw. variiert, ist es schwer, die physikalische Größe mit einer unter Laborbedingungen erzeugten Stammkurve zu vergleichen. Es ist insbesondere unmöglich, die Daten für die vor zehn oder mehr Jahren hergestellten Materialien zu erhalten, und es ist ebenfalls schwer, derartige Materialien zu reproduzieren. Demnach beinhalten sowohl die zerstörenden als auch die nicht zerstörenden Verfahren eine Anzahl von Problemen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens zum unmittelbaren und einfachen Vorhersagen der restlichen Lebensdauer eines Metallmaterials durch Beobachten eines Materials, das ein Bauteil einer tatsächlich verwendeten Einrichtung bildet.
  • Die obige Aufgabe wird erfindungsgemäß durch irgendeines der alternativen Verfahren gemäß dem Patentanspruch gelöst.
  • Da die Körner in der Beanspruchungsrichtung gestreckt werden, wenn ein Metallmaterial einen Kriechschaden erleidet, ist es erfindungsgemäß möglich, die Formänderungen der Körner eines Metallmaterials durch zeitlich aufeinandefolgendes Messen dieser Änderungen statistisch anzuordnen.
  • Als Verfahren zum Messen von Körnern wird eine Probe von einem Bauteil einer tatsächlich verwendeten Einrichtung entnommen oder wird alternativ eine nicht zerstörende Beobachtung unter Anwendung eines Replica-Verfahrens ausgeführt zur Erzielung einer Standardabweichung als einer Abweichung der Form auf der Basis von beispielsweise der Verteilung von Winkeln, die die Beanspruchungsrichtung mit der Achse der maximalen Länge der Körner einschließt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Fig. 1a ist ein Schliffbild der Metallstruktur eines nicht verwendeten Materials aus 2.1/4 Cr - 1 Mo-Stahl;
  • Fig. 1b ein Schliffbild der Metallstruktur eines lediglich erhitzten Materials (Kriechschadenrate øc = 0);
  • Fig. 1c ist ein Schliffbild der Metallstruktur eines Materials mit einem Kriechschaden (Kriechschadenrate øc = 0,8);
  • Fig. 2 eine Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zum Messen eines Parameters Rm für die Formänderungen eines Korns gemäß der Erfindung;
  • Fig. 3a und 3b graphische Darstellungen der Verteilung von Rm entsprechend Fig. 1b bzw. 1c;
  • Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einer Standardabweichung Sm der Verteilung von Rm und einer Kriechschadenrate;
  • Fig. 5a eine graphische Darstellung eines Beispiels der Verteilung von Rm, wenn die Beanspruchungsrichtung bekannt ist;
  • Fig. 5b eine graphische Darstellung eines Beispiels der Verteilung von Rm, wenn die Beanspruchungsrichtung unbekannt ist;
  • Fig. 6 ein Schliffbild eines Beispiels einer Metallstruktur gemäß einem Replica-Verfahren;
  • Fig. 7 ein Blockbild des Vorgehens beim Voraussagen einer restlichen Lebensdauer auf der Basis der Formen von Körnern in einem Bauteil einer tatsächlich verwendeten Einrichtung;
  • Fig. 8 eine Ansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zur Messung von Parametern lx und ly für die Angabe von Formänderungen eines Korns gemäß der Erfindung;
  • Fig. 9 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen lx/ly und einer Kriechschadenrate gemäß der Erfindung;
  • Fig. 10 eine Ansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zur Messung von Parametern lL und lS für die Angabe der Formänderung eines Korns gemäß der Erfindung;
  • Fig. 11 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einer Kriechschadenrate und einem Profilverhältnis, das als Parameter für die Angabe der Formänderungen von Körnern verwendet wird, gemäß der Erfindung.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Im folgenden wird in Verbindung mit Fig. 1a bis 11 eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bei dieser Ausführungsform wird das Vorhersageverfahren der Erfindung bei 2.1/4 Cr - 1 Mo-Stahl angewendet, der ein für Kessel typisches Material ist.
  • Wenn, wie in Fig. 1a bis 1c gezeigt, die Körner eines Metallmaterials einen Kriechschaden erleiden, wird jedes Korn 1 in einer Richtung gestreckt, in der die Beanspruchung wirkt. Daher wird die Form des Korns gemessen, um den Grad der Verschlechterung des Metallmaterials auf der Basis von Formänderungen des Korns zu erfassen, wodurch die verbleibende Lebensdauer des Materials vorhergesagt wird.
  • Wenn im allgemeinen ein Metallmaterial einen Kriechschaden erleidet, werden die Körner des Materials einer Kriechverformung unterworfen. Mit anderen Worten, die Kriechverformung kann als Anhäufung der Verformung jedes Korns verstanden werden. Daher kann der Kriechschaden durch zeitlich aufeinanderfolgendes Messen der Verformung jedes Korns erfaßt werden. Wenn ein Korn auf Grund von Kriechen verformt wird, wird es allmählich in der Richtung gestreckt, in der die Beanspruchung wirkt. Es ist daher möglich, einen Kriechschaden durch Anordnen von Parametern zu erfassen, die den Grad der Streckung des Korns angeben. Wenn ferner das in einem Herstellungsverfahren gewalzte Material einer abschließenden Wärmebehandlung unterworfen wird, sind die Körner im wesentlichen im rechteckigen Vieleck ausgeglichen, wenn auch die Korngröße in Abhängigkeit von den Wärmebehandlungsbedingungen und der chemischen Zusammensetzung nicht differiert, so daß die Formänderungen jedes Korns von der Materialqualität, den Wärmebehandlungsbedingungen und dergleichen nicht beeinflußt werden. Mit anderen Worten, die Formänderungen jedes Korns entsprechen unmittelbar dem Kriechschaden, und es ist daher nicht erforderlich, den Anfangszustand oder den lediglich erhitzten Zustand des Materials zu betrachten.
  • Fig. 1a bis 1c zeigen die Metallstrukturen von 2.1/4 Cr - 1 Mo-Stahl. Fig. 1a zeigt die Metallstruktur eines unbenutzten Materials, Fig. 1b die Metallstruktur eines lediglich erhitzten Materials (Kriechschadenrate øc = 0) und Fig. 1c die Metallstruktur eines Materials, das einen Kriechschaden erlitten hat (Kriechschadenrate øc = 0,8). Wie aus diesen Metallstrukturen ersichtlich ist, ist im lediglich erhitzten Material und dem durch Kriechen beschädigten Material ein bedeutender Anteil von Perlit zersetzt, während der Einfluß des Unterschieds der Kriechschadenrate øc dazwischen nicht zu beobachten ist. Jedoch sind im Kriechschadenmaterial die Körner in der Richtung gestreckt, in der die Beanspruchung wirkt. Es sei angegeben, daß die Kriechschadenrate øc durch die folgende Gleichung gegeben ist unter der Bedingung, daß dasselbe Material bei einer konstanten Kriechversuchstemperatur verwendet wird:
  • øc = t/tr
  • worin tr die Kriechbruchzeit und t die beim Kriechversuch verstrichene Zeit darstellen.
  • Die Erfinder haben den obigen Punkt beachtet und unter Verwendung eines Bildprozessors die Kornformen von in verschiedener Weise beschädigten Materialien untersucht. Fig. 2 zeigt ein Verfahren zur Messung eines die Form eines Korns wiedergebenden Parameters. Wie gezeigt, werden die Berechnungen an einem Winkel Rm ausgeführt, den die Achse der maximalen Länge des Korns mit der Beanspruchungsrichtung einschließt.
  • Fig. 3a und 3b zeigen die Verteilungen von Rm entsprechend Fig. 1b bzw. 1c, wobei hundert gemessene Körner vorliegen. Für den Fall, daß die Kriechschadenrate øc gemäß Fig. 3a Null ist und da die Form jedes Korns einem regelmäßigen Vieleck nahe kommt, kann Rm irgendeinem Winkel entsprechen und ist daher die Verteilung von Rm im wesentlichen flach. Wenn dagegen die Kriechschadenrate øc gemäß Fig. 3b 0,8 ist und da das Korn in Beanspruchungsrichtung gestreckt ist, zeigt die Verteilung von Rm eine normale Verteilung, deren Maximum in der Beanspruchungsrichtung auftritt (Rm = 0º).
  • Zur Darstellung des Unterschieds zwischen diesen Verteilungen von Rm wird eine Standardabweichung Sm berechnet, wobei die resultierende Beziehung zwischen der Kriechschadenrate øc und der Standardabweichung Sm in Fig. 4 gezeigt ist. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, nimmt der Wert von Sm ab, wenn die Kriechschadenrate øc zunimmt. Insbesondere wenn die Kriechschadenrate øc größer als 0,5 wird, nimmt der Wert von Sm merklich ab, so daß es leicht wird, die restliche Lebensdauer auf der Basis dieses Parameters vorauszusagen. Diese graphische Darstellung kann angewendet werden, um den Grad des Kriechschadens in einem Bauteil einer tatsächlich verwendeten Einrichtung zu bewerten. Ferner wurden unter Verwendung verschiedener Arten von nicht gebrauchten und lediglich erhitzten Materialien die Werte von Sm in den Fällen gefunden, in denen ihre Kriechschadenraten Null waren. Jedoch betrug in jedem Fall der Wert von Sm etwa 50 und war seine Streuung klein. Daher wurden keine Einflüsse von chemischer Zusammensetzung und Wärmebehandlung beobachtet. Mit anderen Worten ist es gemäß dem vorliegenden Verfahren möglich, den Kriechschaden unmittelbar zu bewerten, ohne die Daten für nicht benutztes oder lediglich erhitztes Material zu benötigen.
  • Aus dem folgenden Grund wurden für die Messung von Rm hundert Körner verwendet. Es ist begreiflich, daß sich die Formen der Körner mit der Zeit ändern. Wie jedoch aus Fig. 1a und 1b ersichtlich ist und selbst bei Beobachtung jedes einzelnen Korns, ist es unmöglich, die Formänderungen des Korns deutlich zu erfassen. Daher ist es erforderlich, die Anzahl der durch eine Maschine ohne persönlichen Fehler zu messen und ein statistisches Verfahren anzuwenden. Aus verschiedenen Studien bezüglich der Anzahl der zu messenden Körner wurde deutlich, daß bei der Messung von achtzig oder mehr Körnern die Streuung des Werts von Sm abnahm, so daß die Anzahl der zu messenden Körner das Ergebnis nicht beeinflußten. Somit wurde unter Beachtung eines Spielraums die Verwendung von hundert Körnern festgelegt.
  • Da das bei dieser Ausführungsform gezeigte Material durch Kriechtests vielfältig beschädigt ist, wird die Beanspruchungsrichtung eindeutig ermittelt. Jedoch gibt es in einem Bauteil einer tatsächlich verwendeten Einrichtung einen Fall, bei dem die Beanspruchungsrichtung nicht eindeutig ermittelt wird. Selbst in einem Fall, in dem das Ausmaß der Kriechschadens hoch ist, nimmt daher die Verteilung von Rm den in Fig. 5a gezeigten Verlauf an, und zwar weil ein gewählter Winkel für die Beanspruchungsrichtung angenommen wird. Wenn auch die Standardabweichung dieser Verteilung merklich groß wird, wenn die Kontinuität von Winkeln betrachtet wird (90º und -90º entsprechend derselben Richtung), ist ersichtlich, daß Fig. 5a und 5b dieselbe Verteilung zeigen. Daher wird der Winkel um je 10 verschoben (d. h. die Verteilung von Fig. 5a wird in diejenige von Fig. 5b umgewandelt), wird die Verteilung von Rm erhalten, deren Standardabweichung ein Minimum wird, und wird diese Standardabweichung als Sm des Materials verwendet. Durch Anwendung dieses Verfahrens wird der Vorteil erzielt, daß die Richtung der maximalen Beanspruchung in einem Bauteil einer tatsächlich verwendeten Einrichtung ermittelt werden kann und umgekehrt. Ferner wird bei dieser Ausführungsform die Gestalt des Korns durch unmittelbares Beobachten der Probe gemessen, während gemäß Fig. 6 die Gestalten der Körner durch Anwendung eines Replica-Verfahrens klar beabachtet werden können, bei dem die Struktur eines tatsächlich verwendeten Gegenstands auf einen Dünnfilm übertragen wird, so daß dieselbe Bewertung wie diejenige der oben beschriebenen Ausführungsform vollständig durchgeführt werden kann.
  • Fig. 7 zeigt ein typisches Beispiel des Vorgehens bei der Anwendung des vorliegenden Verfahrens bei einem Bauteil einer tatsächlich verwendeten Einrichtung. Bei diesem Beispiel wird ein Dünnfilm durch ein Replica-Verfahren abgetastet, da im Prinzip an einem Bauteil 2 ein nicht zerstörendes Verfahren angewendet wird. Es sei jedoch hervorgehoben, daß, selbst wenn eine Replica-Abtastung möglich ist, die Meßgenauigkeit durch Entnahme von Proben ziemlich verbessert werden kann. Beim Replica-Verfahren wird ein auszuwertender Teil durch ein Schleifmittel oder dergleichen poliert und der auf diese Weise polierte Teil durch ein für das Material geeignetes Ätzmittel geätzt. In diesem Fall wird das Ätzen vorzugsweise etwas länger fortgesetzt, um die Formen der Körner zu verdeutlichen. Ein Replica-Film 3, der durch ein Lösungsmittel teilweise geschmolzen ist, wird auf den auf diese Weise geätzten Teil geklebt. Wenn der Replica-Film 3 nach dem Trocknen hiervon abgezogen wird, wird die Oberflächenstruktur des Teils auf den Replica-Film 3 übertragen. Der Replica-Film 3 wird mit einem Mikroskop 4 beobachtet, und die Formen der Körner werden durch einen Bildprozessor 5 gemessen, um die Standardabweichung Sm als Schadensparameter zu berechnen. Danach wird ein Personalrechner 7 verwendet zum Berechnen und Bewerten der restlichen Lebensdauer des Materials auf der Basis der Beziehungen zwischen diesem in einer vorbereiteten Datenbasis 6 gespeichertem Sm und dem Grad des Kriechschadens.
  • Wenn auch auf demselben Konzept basierend, wurde bestätigt, daß die folgenden Punkte als Parameter wirksam waren zum quantativen Bestimmen von Änderungen der Formen der Körner.
  • (a) Beziehung zwischen der Kornlänge und -breite:
  • Gemäß Fig. 8 werden eine auf die Achse in der Beanspruchungsrichtung projizierte Länge lx und eine auf die zur Beanspruchungsrichtung senkrechte Achse projizierte Breite ly gemessen. Danach wird die Beziehung zwischen dem Durchschnitt eines Verhältnisses lx/ly und der Kriechschadenrate øc erhalten.
  • Fig. 9 zeigt das so erhaltene Ergebnis. Wie in Fig. 9 klar gezeigt und wenn die Kriechschadensrate øc zunimmt, wird der Wert von lx größer als derjenige von ly, weshalb der Wert des Verhältnisses lx/ly zunimmt. Demnach kann die Lebensdauer eines Materials unter Anwendung des Werts von lx/ly als Parameter vorausgesagt werden. Wenn ferner gemäß Fig. 10 ein Verhältnis einer maximalen Länge lL jedes Korns zur maximalen Breite lL einer zur Länge senkrechten Achse, d. h. ein Verhältnis lL/lS, als Parameter verwendet wird, kann eine Kurve erhalten werden, deren Tendenz derjenigen von Fig. 9 ähnlich ist.
  • (b) Rundheitsgrad:
  • Der Rundheitsgrad jedes Korns ist ein Parameter, der eine Schätzung des Kriechschadengrads ermöglicht. Der Rundheitsgrad wird durch verschiedene Verfahren wiedergegeben. Ein Beispiel hiervon ist die Verwendung eines Profilverhältnisses. Das Profilverhältnis ist wiedergegeben durch (Umfangslänge eines äquivalenten Kreises)/(Umfangslänge eines Korns). Fig. 11 zeigt die Beziehung zwischen dem Profilverhältnis und der Kriechschadenrate øc. Wie aus Fig. 11 ersichtlich ist, wird die Vorhersage bezüglich des Grads des Kriechschadens auch aus dem Profilverhältnis ermöglicht. Ein weiteres Beispiel des den Rundheitsgrad wiedergebenden Parameters, (Umfangslänge)²/(Fläche), ist verfügbar. Der Grund, daß der Rundheitsgrad als Parameter verwendbar ist, liegt darin, daß, wenn auch bei kleinem Schaden die Form eines Korns einem Kreis nahekommt, das Korn bei größer werdendem Schaden in Richtung der Beanspruchung gestreckt und der Rundheitsgrad vergrößert wird.
  • Es sei angegeben, daß der als weiteres Beispiel angegebene Parameter nicht stark gemäß den Änderungen der Kriechschadenrate øc variiert, so daß die Meßgenauigkeit abnimmt. Ein solcher Parameter kann jedoch beim Messen einer unterschiedlichen Materialart wirksam sein.
  • Erfindungsgemäß werden die Formen der Körner eines Metallmaterials quantitativ gemessen und die so erhaltenen Änderungen verglichen, um eine quantitative Voraussage bezüglich der restlichen Lebensdauer des Metallmaterials auf einfache Weise durch ein nicht zerstörendes Verfahren zu ermöglichen. Dies ermöglicht eine große Verringerung an Kosten und Zeit und beseitigt das Erfordernis der Verwendung einer hochgenauen Vorrichtung. Zusätzlich müssen keine Daten für den Ausgangszustand von Materialien und für lediglich erhitzte Materialien verwendet werden und kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei verschiedenen polykristallinen Metallmaterialien angewendet werden. Aus der obigen Beschreibung ist ohne weiteres verständlich, daß die Erfindung eine Vielzahl von industriellen Vorteilen besitzt.

Claims (1)

  1. Verfahren zum Vorhersagen der restlichen Lebensdauer eines Metallmaterials, das
    die quantitative Messung der Formen der Körner (1) des Metallmaterials;
    das Erhalten von Änderungen in den Formen der Körner (1); und
    die Vorhersage der restlichen Lebensdauer des Metallmaterials auf der Basis der Änderungen aufweist,
    wobei die Änderungen in den Formen durch
    a) eine Standardabweichung von Winkeln, die die Beanspruchungsrichtung mit der Richtung der Längsachse des maximalen Durchmessers jedes der Körner (1) macht, oder
    b) ein Verhältnis der maximalen Länge der Längsachse jedes der Körner (1) zur maximalen Breite einer Achse jedes der Körner (1) senkrecht zur Längsachse; oder
    c) ein Verhältnis der Länge der Längsachse jedes der Körner (1) in der Beanspruchungsrichtung zur Breite jedes der Körner (1) in der Richtung senkrecht zur Beanspruchungsrichtung oder
    d) den Rundheitsgrad jedes der Körner (1) dargestellt werden.
DE87115027T 1986-10-16 1987-10-14 Verfahren zur Voraussagung der übrigbleibenden Lebensdauer eines Metallmaterials. Expired - Fee Related DE3785411T2 (de)

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