Quantifizierung des lokalen Verfestigungsverhaltens in zyklisch beanspruchten Schweißverbindungen.

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Sebastian Münstermann
• Subject Area: Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
• Term: from 2012 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 213110497

Das Schweißen kann als das wichtigste Fügeverfahren des Stahlbaus bezeichnet werden, weil es bei nahezu allen Anwendungsfällen von Stahl als Konstruktionswerkstoff vorkommen kann. Bei den meisten dieser Anwendungsfälle treten während der Nutzung wechselnde mechanische Beanspruchungen auf, sodass bei der Auslegung der jeweiligen Bauteile die Ermüdungseigenschaften der eingesetzten Werkstoffe von besonderer Bedeutung sind. Trotz der intensiven Bemühungen zur Lebensdauervorhersage gehört die Materialermüdung allerdings nach wie vor zu den häufigsten Schadensursachen bei Stahlkonstruktionen. Nicht nur um diese Schäden zukünftig zu vermeiden, sondern auch um Bauteile näher am Grenzzustand der Tragfähigkeit einzusetzen und somit Ressourcen zu schonen, soll im Rahmen des IBESS-Clusters ein Verfahren entwickelt werden, mit dem die Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen auf Basis bruchmechanischer Konzepte quantitativ berechnet werden kann. Das Rissfortschrittskonzept auf Basis der Bruchmechanik ist bislang das einzige Verfahren, das eine Lebensdauervorhersage für Strukturen mit Defekten erlaubt und ist aus diesem Grund den anderen Konzepten der Betriebsfestigkeitsermittlung überlegen. Die Betrachtung des stationären Risswachstums im Stadium II des Schädigungsprozesses (Langrisswachstum) erfolgt darin auf Basis der linear-elastischen Bruchmechanik, weil üblicherweise die plastische Zone an der Spitze des Risses klein im Vergleich zur Risslänge ist. Das ∆K-Konzept ist jedoch nicht geeignet für die Beschreibung des Wachstums kurzer Risse, weil hier die Größe der plastischen Zone im Vergleich zur Risslänge signifikant ist. Die Betrachtung von Rissbildung und Kurzrisswachstum ist jedoch von besonderer Wichtigkeit für die Etablierung eines Bemessungsansatzes, weil bis zu 90% der Lebensdauer eines Bauteils in diesem Stadium I des Schädigungsprozesses liegen kann. Als Alternative bieten sich die Konzepte der elastisch-plastischen Bruchmechanik für die Bewertung kurzer Risse an, zu denen unter anderem das J-Integral gehört, welches die Energiedissipationsrate im Bereich vor der Rissspitze bewertet. Zur Anwendung dieser Konzepte müssen allerdings die elastisch- plastischen Werkstoffeigenschaften des Werkstoffs beschrieben werden. In Schweißverbindungen entstehen allerdings prozessbedingt starke Gradienten hinsichtlich Mikrostrukturausbildung und chemischer Zusammensetzung, die sich zwangsläufig auch in den mechanischen Eigenschaften wiederfinden. Aus diesem Grund hat das hier beantragte Forschungsprojekt zum Ziel, das lokale Verfestigungsverhalten zu untersuchen und quantitativ zu beschreiben, um so die Grundlage für eine verbesserte Berechnung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen zu ermöglichen. Zu diesem Zweck werden anhand von Härtemappings und metallographischen Untersuchungen Kleinbereiche innerhalb der Schweißverbindung und in der Wärmeeinflusszone identifiziert. Für diese Bereiche werden in numerischen Simulationsrechnungen die Thermozyklen errechnet. Anschließend werden Probekörper ähnlicher chemischer Zusammensetzung in einem Thermomechanical Treatment Simulator oder einer Gleeble mit diesen errechneten Thermozyklen beaufschlagt, um die für die jeweiligen Kleinbereiche identifizierten Gefüge in größeren Proben definiert einzustellen. Nach einer Validierung dieser Gefügeeinstellung durch Härtemessungen werden Fließkurven in quasistatischen Zugversuchen sowie zyklische Spannung-Dehnung-Kurven ermittelt. Das geometrische Modell der Schweißnaht sowie die für die jeweiligen Kleinbereiche ermittelten Materialgesetze werden anschließend an die Projektpartner weitergereicht. Wie mehrere andere Projektpartner beteiligt sich das IEHK außerdem an der Ermittlung von Wöhlerkurven, die für die Validierung der IBESS-Prozedur benötigt werden, und unterstützt bei der Entwicklung des genannten Verfahrens.

• DFG Programme: Research Grants