On the microstructure of multipass high-strength weld metals and their heat-affected zones

Schmelzschweißen von hochfesten Stählen kann als ein kritischer Aspekt bei der Erzielung der gewünschten mechanischen Eigenschaften von entsprechenden Stahlkonstruktionen gesehen werden. Während dieses Schweißprozesses kommt es durch die Erstarrung des geschmolzenen Grundmaterials zusammen mit einem eventuell zugefügten Zusatzwerkstoff zur Ausbildung eines Schweißgutes, dessen Mikrostruktur mit der Erstarrung festgelegt wird und nur ein begrenztes Potential für nachträgliche Modifikationen bietet. Überdies hinaus wird das Grundmaterial in der Nähe des geschmolzenen Materials durch lokal variierende thermische Zyklen wärmebehandelt, was zur Ausbildung der sogenannten Wärmeeinflusszone führt. Das Mehrlagenschweißen macht diese Angelegenheit noch komplizierter, da manche Bereiche im Grundmaterial und im Schweißgut der Wärme von mehreren Schweißdurchgängen ausgesetzt sind. Dementsprechend ist es wichtig diese lokal variierende Mikrostruktur zu verstehen, um in der Zukunft fortgeschrittene Leichtbaustahlkonstruktionen realisieren zu können. Aus diesem Grund ist das Ziel der vorliegenden Doktorarbeit die Untersuchung der Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen von mehrlagigen, hochfesten Schweißgütern und deren Wärmeeinflusszonen, mit besonderem Fokus auf die grundlegende Analyse der vorhandenen Gefügebestandteile. Zu diesem Zweck wurden hochauflösende elektronenmikroskopische Untersuchungen und Atomsondentomographie durchgeführt. Überdies hinaus wurde hochenergetische Röntgenbeugung zur Quantifizierung der Phasenfraktion sowie der direkten Beobachtung des mikrostrukturellen Verhaltens unter thermischer und mechanischer Belastung eingesetzt. Die mechanischen Eigenschaften wurden mittels standardisierten Zug- und Kerbschlagbiegeversuchen sowie Härtemessungen untersucht. Die Mikrostruktur eines mehrlagigen, hochfesten Schweißgutes mit einer Dehngrenze von über 1100 MPa bestand überwiegen aus Martensit zusammen mit mehreren Arten von Bainit und Restaustenit. Die physikalische Simulation der Grobkornzone dieses Schweißgutes ermöglichte die Erstellung eines der ersten Schweiß-Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubilder für Schweißgüter mit entsprechenden Festigkeiten. Die Analyse des gesamten Schweißgutes zeigte einen unerwartet hohen Anteil an Restaustenit (bis zu 7 %). Erhöhte Konzentrationen dieser metastabilen Phase wurden vorwiegend in Bereichen gefunden, welche von den nachfolgenden Schweißlagen in die interkritische Zone zwischen A1 und A3 wiedererwärmt wurden. Der Restaustenit in diesem Schweißgut wurde als alleinstehende Phase und als Bestandteil von Martensit-Austenit Inseln detektiert. In der letzten Lage blieb er unter Zugbelastung bis zum Einsetzten der plastischen Deformation weitgehend stabil. Restaustenit wurde auch in der Wärmeeinflusszone eines hochfesten Stahles mit einer Dehngrenze von 700 MPa untersucht. Es zeigte sich, dass das Erwärmen auf Temperaturen nahe der Liquiduslinie (Grobkornzone) zu einer ähnlichen Menge an Restaustenit führte wie die anschließende Wiedererwärmung in die interkritische Zone (interkritisch erwärmte Grobkornzone). Des Weiteren wurde während des Spannungsarmglühens eines mehrlagigen, hochfesten Schweißgutes mit einer Dehngrenze von 690 MPa eine starke Versprödung festgestellt. Diese Versprödung konnte auf die Bildung grober, Mn-reicher Zementit-Ausscheidungen zurückgeführt werden.