Schwingfestigkeit geschweißter Strukturen unter Berücksichtigung lokaler Gefügeeigenschaften der Wärmeeinflusszone

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@phdthesis{93cab0d0f24e4a4690fd70551441392b,
title = "Schwingfestigkeit geschwei{\ss}ter Strukturen unter Ber{\"u}cksichtigung lokaler Gef{\"u}geeigenschaften der W{\"a}rmeeinflusszone",
abstract = "Die betriebsfeste Auslegung von geschwei{\ss}ten Rohrleitungskomponenten aus hochfesten thermomechanisch gewalzten Feinkornbaust{\"a}hlen stellt eine gro{\ss}e Herausforderung f{\"u}r den Anwender dar. Es stehen zwar Codes und Richtlinien f{\"u}r eine Auslegung zur Verf{\"u}gung, allerdings sind diese aufgrund der schwer absch{\"a}tzbaren Fertigungseinfl{\"u}sse sehr konservativ ausgelegt. Das Leichtbaupotential von hoch- und h{\"o}chstfesten Feinkornbaust{\"a}hlen kann daher nur unzureichend ausgenutzt werden. In dieser Arbeit wird eine FE-basierte Auslegungsmethodik zur bruchmechanischen Lebensdauerbewertung von hochfesten Schwei{\ss}n{\"a}hten unter Ber{\"u}cksichtigung von Gef{\"u}gezonen, Eigenspannungen und einem Schwei{\ss}nahtnachbehandlungsverfahren vorgestellt. Hierzu wurden gezielt die einzelnen Gef{\"u}gezonen (Grobkorn-, Feinkorn- und interkritische Zone) der W{\"a}rmeeinflusszone einer repr{\"a}sentativen unterpulvergeschwei{\ss}ten L{\"a}ngsnaht mittels eines GLEEBLE(R) - Thermalsimulators hergestellt. Neben Zugversuchen und H{\"a}rtemessungen wurden diese Gef{\"u}gezonen und das Grundmaterial durch zyklische Rissfortschrittskurven und Schwingpr{\"u}fungen charakterisiert. Die umfangreichen Untersuchungen zeigen, dass der Langrissschwellwert wesentlich von dem lokal unterschiedlich ausgebildeten Gef{\"u}ge abh{\"a}ngig ist. Das durch den Schwei{\ss}prozess w{\"a}rmebehandelte Grundmaterial der beiden untersuchten thermomechanisch gewalzten St{\"a}hle weist h{\"o}here Schwellwerte als das Grundmaterial auf. Die Rissfortschrittsraten der Gef{\"u}ge in der W{\"a}rmeeinflusszone liegen {\"u}ber dem Grundmaterial. Die Anrissl{\"a}ngenabh{\"a}ngigkeit des Schwellwerts wurde mittels gef{\"u}geabh{\"a}ngiger Erm{\"u}dungsrisswiderstandskurven (R-Kurven) ausgewertet. Die Schwingpr{\"u}fungen an Kleinproben mit charakteristischen Gef{\"u}gen entsprechend der W{\"a}rmeeinflusszone der Schwei{\ss}naht wiesen keine markanten Unterschiede bez{\"u}glich der Schwingfestigkeit auf, s{\"a}mtliche dynamische Kennwerte liegen unterhalb der Erm{\"u}dungsfestigkeit des Grundmaterials. Somit korreliert das beobachtete Schwingfestigkeitsverhalten an Kleinproben aus unterschiedlichen Gef{\"u}gen nicht mit den ermittelten bruchmechanischen Kennwerten. Durch eine begleitende Schwei{\ss}struktursimulation mit dem Softwarepaket SYSWELD(R) wurden die entstehenden Eigenspannungen der repr{\"a}sentativen L{\"a}ngsnaht numerisch abgebildet. Zur numerischen Absch{\"a}tzung der ertragbaren Lastwechselzahlen bei zwei unterschiedlichen Spannungsverh{\"a}ltnissen wurde ein am Materials Center Leoben (MCL) entwickeltes und in dieser Arbeit weiterentwickeltes Rissfortschrittsprogramm in Verbindung mit dem FE-Paket ABAQUS(R) verwendet. Die Ergebnisse der Rissfortschrittssimulationen werden den Schwingversuchen von Gro{\ss}proben dieser Schwei{\ss}naht gegen{\"u}bergestellt. Es kann gezeigt werden, dass mittels der Kombination von Versuchsergebnissen von Kleinproben, Kennwerten der einschl{\"a}gigen Regelwerke und einer um den Kurzrissbereich erweiterten NASGRO(R)-Gleichung eine konservative numerische Absch{\"a}tzung der ertragbaren Lastwechselzahl einer geschwei{\ss}ten Gro{\ss}probe mit einer sehr geringen Abweichung zum Versuch m{\"o}glich ist. Weiters kann auch gezeigt werden, dass die positive Auswirkung eines Schwei{\ss}nahtnachbehandlungsverfahrens auf die Schwingfestigkeit von geschwei{\ss}ten Gro{\ss}proben numerisch abgebildet werden kann.",
keywords = "fatigue strength, fracture mechanics, heat affected zone, microstructure, submerged arc welding, crack propagation simulation, Betriebsfestigkeit, Bruchmechanik, Schwei{\ss}en, W{\"a}rmeeinflusszone, WEZ, Gef{\"u}ge, Unterpulverschwei{\ss}en, Rissfortschrittssimulation",
author = "Bernd Maier",
note = "gesperrt bis null",
year = "2017",
language = "Deutsch",

}

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TY - THES

T1 - Schwingfestigkeit geschweißter Strukturen unter Berücksichtigung lokaler Gefügeeigenschaften der Wärmeeinflusszone

AU - Maier, Bernd

N1 - gesperrt bis null

PY - 2017

Y1 - 2017

N2 - Die betriebsfeste Auslegung von geschweißten Rohrleitungskomponenten aus hochfesten thermomechanisch gewalzten Feinkornbaustählen stellt eine große Herausforderung für den Anwender dar. Es stehen zwar Codes und Richtlinien für eine Auslegung zur Verfügung, allerdings sind diese aufgrund der schwer abschätzbaren Fertigungseinflüsse sehr konservativ ausgelegt. Das Leichtbaupotential von hoch- und höchstfesten Feinkornbaustählen kann daher nur unzureichend ausgenutzt werden. In dieser Arbeit wird eine FE-basierte Auslegungsmethodik zur bruchmechanischen Lebensdauerbewertung von hochfesten Schweißnähten unter Berücksichtigung von Gefügezonen, Eigenspannungen und einem Schweißnahtnachbehandlungsverfahren vorgestellt. Hierzu wurden gezielt die einzelnen Gefügezonen (Grobkorn-, Feinkorn- und interkritische Zone) der Wärmeeinflusszone einer repräsentativen unterpulvergeschweißten Längsnaht mittels eines GLEEBLE(R) - Thermalsimulators hergestellt. Neben Zugversuchen und Härtemessungen wurden diese Gefügezonen und das Grundmaterial durch zyklische Rissfortschrittskurven und Schwingprüfungen charakterisiert. Die umfangreichen Untersuchungen zeigen, dass der Langrissschwellwert wesentlich von dem lokal unterschiedlich ausgebildeten Gefüge abhängig ist. Das durch den Schweißprozess wärmebehandelte Grundmaterial der beiden untersuchten thermomechanisch gewalzten Stähle weist höhere Schwellwerte als das Grundmaterial auf. Die Rissfortschrittsraten der Gefüge in der Wärmeeinflusszone liegen über dem Grundmaterial. Die Anrisslängenabhängigkeit des Schwellwerts wurde mittels gefügeabhängiger Ermüdungsrisswiderstandskurven (R-Kurven) ausgewertet. Die Schwingprüfungen an Kleinproben mit charakteristischen Gefügen entsprechend der Wärmeeinflusszone der Schweißnaht wiesen keine markanten Unterschiede bezüglich der Schwingfestigkeit auf, sämtliche dynamische Kennwerte liegen unterhalb der Ermüdungsfestigkeit des Grundmaterials. Somit korreliert das beobachtete Schwingfestigkeitsverhalten an Kleinproben aus unterschiedlichen Gefügen nicht mit den ermittelten bruchmechanischen Kennwerten. Durch eine begleitende Schweißstruktursimulation mit dem Softwarepaket SYSWELD(R) wurden die entstehenden Eigenspannungen der repräsentativen Längsnaht numerisch abgebildet. Zur numerischen Abschätzung der ertragbaren Lastwechselzahlen bei zwei unterschiedlichen Spannungsverhältnissen wurde ein am Materials Center Leoben (MCL) entwickeltes und in dieser Arbeit weiterentwickeltes Rissfortschrittsprogramm in Verbindung mit dem FE-Paket ABAQUS(R) verwendet. Die Ergebnisse der Rissfortschrittssimulationen werden den Schwingversuchen von Großproben dieser Schweißnaht gegenübergestellt. Es kann gezeigt werden, dass mittels der Kombination von Versuchsergebnissen von Kleinproben, Kennwerten der einschlägigen Regelwerke und einer um den Kurzrissbereich erweiterten NASGRO(R)-Gleichung eine konservative numerische Abschätzung der ertragbaren Lastwechselzahl einer geschweißten Großprobe mit einer sehr geringen Abweichung zum Versuch möglich ist. Weiters kann auch gezeigt werden, dass die positive Auswirkung eines Schweißnahtnachbehandlungsverfahrens auf die Schwingfestigkeit von geschweißten Großproben numerisch abgebildet werden kann.

AB - Die betriebsfeste Auslegung von geschweißten Rohrleitungskomponenten aus hochfesten thermomechanisch gewalzten Feinkornbaustählen stellt eine große Herausforderung für den Anwender dar. Es stehen zwar Codes und Richtlinien für eine Auslegung zur Verfügung, allerdings sind diese aufgrund der schwer abschätzbaren Fertigungseinflüsse sehr konservativ ausgelegt. Das Leichtbaupotential von hoch- und höchstfesten Feinkornbaustählen kann daher nur unzureichend ausgenutzt werden. In dieser Arbeit wird eine FE-basierte Auslegungsmethodik zur bruchmechanischen Lebensdauerbewertung von hochfesten Schweißnähten unter Berücksichtigung von Gefügezonen, Eigenspannungen und einem Schweißnahtnachbehandlungsverfahren vorgestellt. Hierzu wurden gezielt die einzelnen Gefügezonen (Grobkorn-, Feinkorn- und interkritische Zone) der Wärmeeinflusszone einer repräsentativen unterpulvergeschweißten Längsnaht mittels eines GLEEBLE(R) - Thermalsimulators hergestellt. Neben Zugversuchen und Härtemessungen wurden diese Gefügezonen und das Grundmaterial durch zyklische Rissfortschrittskurven und Schwingprüfungen charakterisiert. Die umfangreichen Untersuchungen zeigen, dass der Langrissschwellwert wesentlich von dem lokal unterschiedlich ausgebildeten Gefüge abhängig ist. Das durch den Schweißprozess wärmebehandelte Grundmaterial der beiden untersuchten thermomechanisch gewalzten Stähle weist höhere Schwellwerte als das Grundmaterial auf. Die Rissfortschrittsraten der Gefüge in der Wärmeeinflusszone liegen über dem Grundmaterial. Die Anrisslängenabhängigkeit des Schwellwerts wurde mittels gefügeabhängiger Ermüdungsrisswiderstandskurven (R-Kurven) ausgewertet. Die Schwingprüfungen an Kleinproben mit charakteristischen Gefügen entsprechend der Wärmeeinflusszone der Schweißnaht wiesen keine markanten Unterschiede bezüglich der Schwingfestigkeit auf, sämtliche dynamische Kennwerte liegen unterhalb der Ermüdungsfestigkeit des Grundmaterials. Somit korreliert das beobachtete Schwingfestigkeitsverhalten an Kleinproben aus unterschiedlichen Gefügen nicht mit den ermittelten bruchmechanischen Kennwerten. Durch eine begleitende Schweißstruktursimulation mit dem Softwarepaket SYSWELD(R) wurden die entstehenden Eigenspannungen der repräsentativen Längsnaht numerisch abgebildet. Zur numerischen Abschätzung der ertragbaren Lastwechselzahlen bei zwei unterschiedlichen Spannungsverhältnissen wurde ein am Materials Center Leoben (MCL) entwickeltes und in dieser Arbeit weiterentwickeltes Rissfortschrittsprogramm in Verbindung mit dem FE-Paket ABAQUS(R) verwendet. Die Ergebnisse der Rissfortschrittssimulationen werden den Schwingversuchen von Großproben dieser Schweißnaht gegenübergestellt. Es kann gezeigt werden, dass mittels der Kombination von Versuchsergebnissen von Kleinproben, Kennwerten der einschlägigen Regelwerke und einer um den Kurzrissbereich erweiterten NASGRO(R)-Gleichung eine konservative numerische Abschätzung der ertragbaren Lastwechselzahl einer geschweißten Großprobe mit einer sehr geringen Abweichung zum Versuch möglich ist. Weiters kann auch gezeigt werden, dass die positive Auswirkung eines Schweißnahtnachbehandlungsverfahrens auf die Schwingfestigkeit von geschweißten Großproben numerisch abgebildet werden kann.

KW - fatigue strength

KW - fracture mechanics

KW - heat affected zone

KW - microstructure

KW - submerged arc welding

KW - crack propagation simulation

KW - Betriebsfestigkeit

KW - Bruchmechanik

KW - Schweißen

KW - Wärmeeinflusszone

KW - WEZ

KW - Gefüge

KW - Unterpulverschweißen

KW - Rissfortschrittssimulation

M3 - Dissertation

ER -