Bewertung von Legierungen zur Eigenspannungskontrolle beim Schweißen unter besonderer Berücksichtigung der Umwandlungsplastizität
Final Report Abstract
Die übergeordnete Intention dieser Arbeit besteht in der Weiterentwicklung sogenannter Low Transformation Temperature (LTT) Werkstoffe zur Eigenspannungskontrolle während des Schweißens. Diese Legierungen weisen eine martensitische Phasenumwandlung auf, welche aufgrund von Umwandlungsdehnung und Umwandlungsplastizität zum Spannungsabbau bzw. sogar zur Erzeugung von Druckeigenspannungen in der Schweißnaht führen kann. Da in diesem Zusammenhang die Rolle der Umwandlungsplastizität bisher nicht untersucht wurde, befasste sich der Kernaspekt dieser Arbeit mit deren Charakterisierung. Im Fokus stehen dabei Legierungen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung, jedoch hinreichend niedriger Ms-Temperaturen. Neben experimentellen Untersuchungen zur Ermittlung der legierungsabhängigen, durch äußere Beanspruchung hervorgerufenen, umwandlungsplastischen Dehnungsanteile erfolgten Schweißversuche an verschiedenen Probengeometrien, um sowohl einachsige als auch mehrachsige Beanspruchungen zu simulieren. Im Besonderen gelangen insitu-Beugungsexperimente während der thermomechanischen Probenbeanspruchung. Diese Vorgehensweise erwies sich als zielführend und soll auch im Rahmen zukünftiger Projekte fortgeführt werden. Zudem wurde damit begonnen, das beobachtete Werkstoffverhalten im Rahmen der numerischen Schweißsimulation umzusetzen. Die ermittelte Umwandlungsplastizität weist zwischen den analysierten Legierungen keine grundlegenden Unterschiede auf. Sowohl unter elastischer Zug- als auch Druckbeanspruchung ergaben sich konstante umwandlungsplastische Kenngrößen (K-Faktor) geringer Streuung. Diese zeigen für beide Beanspruchungsarten ähnliche Werte und liegen im oberen Bereich der in der Literatur zugänglichen Datenbasis martensitischer Stähle. Aufgrund der guten Übereinstimmung zwischen umwandlungsplastischer Dehnung, ermittelt unter Zug- als auch Druckbeanspruchung, ist davon auszugehen, dass die Umwandlungsplastizität vor allem über ein Fließen der Austenitphase hervorgerufen wird. Auch die im Beugungsversuch festgestellte, erhebliche Linienprofilverbreiterung des Austenits spricht für diesen sogenannten Greenwood-Johnson-Effekt als Ursache. Im Zuge der Beugungsexperimente stellte sich zudem heraus, dass durch die martensitische Festphasenumwandlung eine zusätzliche Stauchung des Gitters beider beteiligten Phasen Austenit und Martensit hervorgerufen wird, die der gleichzeitig makroskopisch auftretenden Probendehnung, also der Umwandlungsplastizität, entgegengesetzt ist. Dies ist unabhängig von der Höhe der aufgebrachten Beanspruchung. Die makroskopisch wirkende Umwandlungsplastizität wird unter den beobachteten Bedingungen allein durch Mikrospannungen im Austenit hervorgerufen. Die Eigenspannungsermittlung in weitestgehend einachsig schrumpfbehinderten Proben offenbarte für verschiedene Legierungen signifikant unterschiedliche Eigenspannungsniveaus. Da das Ausmaß der umwandlungsplastischen Dehnung, wie zuvor gezeigt, vergleichbar ist und andererseits der Einfluss der Umwandlungstemperatur bei den verwendeten Randbedingungen vernachlässigt werden kann, wird die Ursache eher in der nachweislich stark abweichenden thermischen Ausdehnung vermutet. Bemerkenswert ist, dass konträr dazu ein unterschiedliches Eigenspannungsniveau in mehrlagig ausgeführten Schweißnähten nicht mehr beobachtet wird. Diese mehrachsig beanspruchten Proben zeigen insgesamt sowohl in Oberfläche als auch Volumen vergleichbare Eigenspannungsgradienten und -niveaus unabhängig von der verwendeten Legierung. Die durchgeführten Arbeiten erbrachten wertvolle Erkenntnisse im Hinblick auf das Umwandlungsverhalten martensitischer Low Transformation Temperature (LTT) Schweißzusätze, warfen jedoch auch neue Fragen auf, die es zu klären gilt. Letztlich zeigte sich, dass das Phänomen Umwandlungsplastizität gerade im Hinblick auf die Eigenspannungsentstehung beim Schweißen anhand zukünftiger Untersuchungen noch weiter charakterisiert werden muss. Erst dann kann abschließend bewertet werden, ob die Umwandlungsplastizität als Werkstoffeigenschaft in praktischer Hinsicht, d. h. bei der Entwicklung zukünftiger Schweißzusatzwerkstoffe zur Eigenspannungskontrolle, besondere Bedeutung geschenkt werden muss.
Publications
- Evaluation of weld filler alloying concepts for residual stress engineering by means of Neutron and X-ray diffraction. Advanced Materials Research Vol. 996 (2014) pp 469-474
Kromm, A.
(See online at https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.996.469) - Residual stress engineering by low transformation temperature alloys-state of the art and recent developments. Welding in the World Vol. 58 (2014) pp 729-741
Kromm, A.; Dixneit, J.; Kannengiesser, T.
(See online at https://doi.org/10.1007/s40194-014-0155-6) - Stress Build-Up during Multilayer Welding with Novel Martensitic Filler Materials. HTM J. Heat Treatm. Mat. 69 (2014) 2 pp 80-88
Kromm, A.; Kannengiesser T.
(See online at https://doi.org/10.3139/105.110210)
