Residual stress evolution in low-alloyed seamless steel tubes: A simulation based approach on three different length scales

Titel in Übersetzung: Eigenspannungsentwicklung in nahtlos gewalzten niedrig-legierten Stahlrohren: Ein simulationsbasierter Ansatz auf drei verschiedenen Längenskalen

Silvia Leitner

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Die Eigenspannungsentwicklung in niedrig legierten, nahtlos gewalzten und Sauergas beständigen Rohren wird auf verschiedenen Längenskalen mit Simulationsmethoden untersucht. Beginnend mit der markoskopischen Ebene wird ein Modell entwickelt, um die Temperatur, Phasen und Eigenspannungsgeschichte an verschiedenen, radialen Positionen während dem Kühlen eines Rohres zu berechnen. Das Modell zur Temperaturentwicklung wird mit Temperaturmessungen an der Anlage validiert, das Phasenevolutionsmodell kann mit Mikrohärtemessungen über den Rohrquerschnitt korreliert werden und die berechneten Eigenspannungen werden mit Eigenspannungsmessungen mittels Röntgenbeugungsmethoden verglichen. Mit diesem experimentell validierten, makroskopischen Modell werden durch Variation der Kühlbedinungen Vorschläge zur Reduktion von Eigenspannungen für überwiegend martensitische oder überwiegend bainitische Gefügezusammensetzung im Rohr abgeleitet. Das makroskopische Kontinuummodell wird weiter verwendet, um die Effekte lokaler Seigerung auf Eigenspannngen zu untersuchen. Seigerung von C, Mo und Cr vezögert die Umwandlung von Austenit zu Martensit und verändert die thermische Ausdehnung, den Volumssprung und elastische Eigenschaften der Tochterphasen. Auf mikroskopischer Ebene werden Eigenspannungen um Inklusionen untersucht, im Hinblick auf den Trend, dass Inklusionen gezielt als Fallen für Wasserstoff in Stählen genutzt werden können. Ein relativer Vergleich von Inklusionen, die in niedrig- und mikrolegierten Stählen vorkommen, basierend auf deren thermo-elastichen Potential zur Eigenspannunsgbildung wird präsentiert. Die vereinfachte thermoelastische Eigenspannunsbetrachtung kann für eine genauere Untersuchung um Informationen über die Kirstallographie und Kriechmechanismen bei erhöhten Bildungstemperaturen ergänzt werden. Für eine einzelne Mo2C Inklusion in Eisen werden die kristallographischen Beziehungen berücksichtigt um mit atomistischen Methoden die Grenzflächenenergien verschiedener Mo2C/Fe Orientierungen zu berechnen. Diese Grenzflächenenergien zeigen, dass die experimentell beobachtete, nadelige Form der Kabride zu einer Energieminimierung führt. Wenn man den mechanischen Beitrag der Deformationsenergie mit Kriechen in der Matrix mitberücksichtigt, überwiegt dennoch der Interfacebeitrag. Mit den entwickelten Methoden kann die Eigenspannungsentwicklung in niedrig und mikrolegierten, sauergasbeständigen Stahlrohren berechnet und auf drei Längenskalen erklärt werden. Mithilfe des makroskopischen Models kann die Wechselwirkung zwischen den Kühlbedingungen und der Eigenspannungsentwicklung verstanden werden und daraus Strategien für Kühlbedingungen mit geringer Eigenspannungsentwicklung abgeleitet werden. Dazu ist es von Vorteil, die Temperaturgradienten an den gekühlten Oberflächen gering zu halten und wenn möglich auf beiden freien Oberflächen zu kühlen. Um die komplexe Mikrostruktur in Stahl zu berücksichtigen, wird die Spannungsentwicklung um Seigerungszonen und Ausscheidungen untersucht. Dabei zeigt sich, dass Spannungen zufolge der chemischen Inhomogenität an Seigerungen zwar über größere Distanzen wirken, aber von geringerer Höhe sind als Spannungen um Ausscheidungen.
Titel in ÜbersetzungEigenspannungsentwicklung in nahtlos gewalzten niedrig-legierten Stahlrohren: Ein simulationsbasierter Ansatz auf drei verschiedenen Längenskalen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Stockinger, Martin, Beurteiler A (intern)
  • Antretter, Thomas, Betreuer (intern)
  • Fischlschweiger, Michael, Beurteiler B (extern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2020

Bibliographische Notiz

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Schlagwörter

  • Eigenspannungen
  • niedrig-legiert
  • Stahl
  • Rohr
  • Simulation
  • Finite Elemente
  • Phasenumwandlung
  • Wärmebehandlung

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