Nachweis von Cu-Ausscheidungen mittels mikromagnetischer Prüfverfahren

Der niedriglegierte, warmfeste Stahl 15 NiCuMoNb 5 (WB 36, Materialnummer 1.6368) ist für Rohrleitungen in Kernkraftwerken und für Behälter- und Rohrleitungen in konventionellen Kraftwerken in großem Umfang eingesetzt. Nach längerer Betriebsbeanspruchung bei Temperaturen oberhalb von 320°C traten in konventionellen Kraftwerken Schäden während des Normalbetriebs (und in einem Fall während eines Drucktests) auf. Diese waren zurückzuführen auf betriebsbedingte Zähigkeitsabnahme des Werkstoffs und einen Härteanstieg um ca. 40 HV10. SANS-(Neutronen-Kleinwinkelstreuungs)-Untersuchungen der MPA Stuttgart [1] ergaben, dass diese Werkstoffversprödung durch Kupfernachausscheidungen im Größenbereich von 1.5 bis 3 nm verursacht wurden. Da konventionelle Vickers-Härtemessungen in der vorliegenden Praxissituation nicht flächendeckend und wiederkehrend durchgeführt werden können und ihr stichprobenartiger Einsatz das Wissen über kritische Prüfbereiche voraussetzt, werden zerstörungsfreie Prüfverfahren für die Früherkennung des Härteanstiegs favorisiert. Kraftwerksbetreiber können durch elektromagnetische Komponentenüberwachung über das Voranschreiten der Alterungsprozesse informiert werden. Für die zerstörungsfreie Charakterisierung der ausscheidungsbedingten Werkstoffveränderungen in WB 36 wurde an Zugproben die Betriebsbeanspruchung simuliert. Hierbei wurde nach ca. 1000 Stunden Betriebssimulation bei 400°C ein Härtemaximum von 240 HV10 ermittelt, was einen Anstieg von 40 HV10 im Vergleich zur ursprünglichen Härte von etwa 200 HV10 darstellt. Es wurde die Eignung elektromagnetischer zf Prüfverfahren zur Vorhersage der Vickers-Härte von WB 36 untersucht. Es gelang, ein modulares Messsystem auf Softwarebasis aufzubauen und für die Bestimmung von HV10 durch Barkhausenrausch- und Oberwellenanalyse zu kalibrieren. Die Praxistauglichkeit dieses Ansatzes wurde durch den Nachweis der Unabhängigkeit von Störeinflüssen wie z.B. überlagerten Zuglastspannungen bewiesen. In allen Untersuchungen wurden hohe Korrelationen (0.90 < r² < 0.99) und niedrige Fehlerbandbreiten (5 bis 10 HV10) zwischen zerstörungsfrei und zerstörend ermittelten Härtewerten erreicht.