Determination of novel assessment criteria for the Evaluation of welding-related micro cracks using high resolution synchrotron-refraction-computer-tomography
Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
Final Report Abstract
Gegenstand des hier bearbeiteten Forschungsprojektes war die Ermittlung neuartiger Bewertungskriterien für die Beurteilung schweißbedingter Mikrorisse mittels hochauflösender Synchrotron-Refraktions-Computer-Tomographie. Der Fokus dieser Arbeit wurde speziell auf die Heißrissbildung vom Typ Ductility-Dip-Cracking in der Wärmeeinflusszone von zwei sich durch ihre Mikrostruktur unterscheidenden Nickelbasis-Legierungen gelegt. Die Rissbildung wurde durch strain-to-fracture Tests erzwungen. Die Messungen wurden mit einem thermo-mechanischen Prüfsystem des Dilatometers der Firma Fa. TA Instruments durchgeführt. In der Literatur veröffentlichte Untersuchungen wurden jedoch meist mit Gleeble®-Systemen durchgeführt. Einflussfaktoren wie die Probengeometrie, Probenoberflächenbeschaffenheit und die anschließende metallographische Präparation haben einen starken Einfluss auf die Vergleichbarkeit und damit auf die Übertragbarkeit der Erkenntnisse. Um jedoch dies gewährleisten zu können, müsste der STF-Test standardisiert werden. Erstmalig wurde der STF-Test für die Ermittlung der Heißrissneigung in der Wärmeeinflusszone zweier Nickelbasis-Legierung eingesetzt. Die Ergebnisse der Auswertung haben gezeigt, dass insbesondere das Gefüge der Grobkorn-WEZ eine höhere Neigung gegenüber der Mikrorissbildung aufweist als beispielsweise das Gefüge der Feinkorn-WEZ. Dies kann damit erklärt werden, dass bei kleinerer Gesamtfläche aller Körner (Grobkorn-WEZ) die lokalen Dehnungen sich auf eine kleinere Gesamtfläche verteilen. Dies führt ergo zu lokal höheren Spannungen, die schneller zu einem Anriss führen können. Diese Mikrorissbildung des Heißrisstyps ‚Ductility-Dip-Cracking‘ tritt dann auf, wenn die lokale Dehnung durch thermische Schrumpfung die Festigkeit der verbleibenden lokalen Korngrenzen übersteigt. Daher ist eine grobkörnige Mikrostruktur bzgl. Mikrorissbildung negativ zu bewerten. Abhilfemaßnahmen zur Vermeidung der Mikrorissbildung in der WEZ können durch die Kontrolle des Korngrenzenwachstums und der Wachstumsrichtung während des Schweiß-Temperatur-Zyklus durch Einsatz geeigneter Schweißparameter (niedrige Wärmeeinbringung) und geeigneter Werkstoffauswahl bestehen. Ein weiterer mikrostruktureller Einfluss auf die Rissbildung könnte das Ausscheidungsverhalten während des simulierten Schweiß-Temperatur-Zyklus sein. Eine genauere Charakterisierung der aufgetretenen Mikrorisse, insbesondere ihrer Bruchflächen, konnte in diesem Forschungsvorhaben nicht durchgeführt werden. Die seit 2020 herrschende COVID-19-Pandemie hat in vielen Bereichen des Forschungsbetriebes, insbesondere durch personelle Ausfälle, Verzögerungen verursacht. Zur quantitativen Analyse der Mikrorisse, insbesondere ihrer Orientierung und der Tiefe im Probenvolumen, war eine dreidimensionale Charakterisierung mittels Synchrotron-Refraktions-Computer-Tomographie angedacht. Aufgrund eines langjährigen Ausfalls der BAMline am BESSY konnten nur sehr eingeschränkt Messungen durchgeführt werden. Es wird angedacht, diese Thematik mit dem Schwerpunkt auf eine Standardisierung des strain-to-fracture Tests anzugehen.
Publications
- Quantitative Analysis of Hydrogen-Assisted Microcracking in Duplex Stainless Steel through X-Ray Refraction 3D Imaging. Advanced Engineering Materials, Wiley Online Library, 2022, 2101287
R. Laquai, T. Schaupp, A. Griesche, B. R. Müller, A. Kupsch, A. Hannemann, T. Kannengiesser, G. Bruno
(See online at https://doi.org/10.1002/adem.202101287)
