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Wasserstoffunterstützte Risse anhochfesten Feinkornbaustählen
Thomas Kannengießer, Arne KrommBundesanstalt für Materialforschung und -prüfung,
Berlin
11. Gefahrgut-Technik-Tage Berlin
Neue Konstruktionen:Neue Konstruktionen:•Leichtbau•Werkstoffauswahl nach dem PrinzipFitness für Purpose
Bestehende Konstruktionen:Bestehende Konstruktionen:•Verlängerung des Produktlebenszyklusses•Zunahme an Reparaturmaßnahmen
Innovation der Werkstoffe und derInnovation der Werkstoffe und derZusatzwerkstoffeZusatzwerkstoffe
Innovation der PrInnovation der Prüüftechnikftechnik(Geschlossene Pr(Geschlossene Prüüfkette)fkette)
Zunahme der Beanspruchung gefZunahme der Beanspruchung gefüügter Bauteilegter Bauteile
ErhErhööhung der Sicherheit und Zuverlhung der Sicherheit und Zuverläässigkeit gefssigkeit gefüügter Bauteilegter Bauteile
Sicherheit gefügter Bauteile
11. Gefahrgut-Technik-Tage Berlin 225.11.2008
Sicherheit und ZuverlSicherheit und Zuverläässigkeit gefssigkeit gefüügter Bauteile wgter Bauteile wäährend der Fertigunghrend der Fertigungund des Betriebesund des Betriebes
WerkstoffWerkstoff
KonstruktionKonstruktion
SchweiSchweißß-/-/FFüügbarkeitgbarkeit
VerfahrenVerfahren UmgebungUmgebungBetriebs-Betriebs-verhaltenverhalten
Sicherheit gefügter Bauteile
11. Gefahrgut-Technik-Tage Berlin 325.11.2008
Optimierung des werkstoff-, konstruktions- und verfahrensbedingtenOptimierung des werkstoff-, konstruktions- und verfahrensbedingtenBeanspruchungsniveaus:Beanspruchungsniveaus:Werkstoffspezifika, SteifigkeitsverhWerkstoffspezifika, Steifigkeitsverhäältnisse, Kerbfallsituation,ltnisse, Kerbfallsituation,gezielte Verfahrensadaptionen (Hybridtechnologien)gezielte Verfahrensadaptionen (Hybridtechnologien)
BerBerüücksichtigung lokaler und globaler Schrumpfbehinderungencksichtigung lokaler und globaler Schrumpfbehinderungen
Verschachtelte, steife SchweiVerschachtelte, steife Schweißßkonstruktionen mit hohen Einspanngradenkonstruktionen mit hohen EinspanngradenZunehmende Belastungen wZunehmende Belastungen wäährend der Fertigung und des Betriebeshrend der Fertigung und des Betriebes
Quelle: SpiegelQuelle: Spiegel
Fügetechnische Herausforderungen
11. Gefahrgut-Technik-Tage Berlin 425.11.2008
Sony Center BerlinSony Center Berlin(Luftst(Luftstüütze aus S690)tze aus S690)
Einsatz von hochfesten FeinkornbaustEinsatz von hochfesten Feinkornbaustäählen imhlen imMobilkranbau,Mobilkranbau, Quelle: www.baitz-fahrzeugbau.de
Werkstoff- und Produktinnovationen
BrBrüücke von Millaucke von Millau(S690)(S690)
11. Gefahrgut-Technik-Tage Berlin 525.11.2008
Werkstoff- und Produktinnovationen
Zunahme des Verhältnisses von Tragkraft/Gesamtgewicht imMobilkranbau durch Einsatz hochfester Feinkornbaustähle
11. Gefahrgut-Technik-Tage Berlin 625.11.2008
25.11.2008 11. Gefahrgut-Technik-Tage Berlin 7
Werkstoff- und Produktinnovationen
Quelle: AG der Dillinger Hüttenwerke
Vergleich SchweißarbeitsfensterS690 und S960/S1100
Quelle: Schröter
duktile Bruchfläche einerZugprobe aus S690Q
Kaltriss-Bruchfläche einer TEKKEN-Probe (REM-Aufnahme)
Werkstoff S690Q (höherfester Feinkornbaustahl)
Definition Kaltriss:
Interkristalline oder transkristalline Materialtrennungen, die beim Schweißen in der Wärmeeinflusszone oder im Schweißgut als Ergebnis einer kritischen Kombinationvon Mikrogefüge, mechanischen Spannungen und Wasserstoffgehalt entstehen.
Einleitung
11. Gefahrgut-Technik-Tage Berlin 825.11.2008
Haupteinflussfaktoren auf die Kaltrissbildung:
Gefüge (chem. Zusammensetzung, t8,5 )
Kaltriss
mechanische Spannungen(Nenn- undEigenspannungen,Kerbschärfe)
diffusiblerWasserstoffgehalt(Wasserstoffeintrag durchSchweißzusatzwerkstoff)
Einfluss durch technologische Parameter:Schweißfolge, Wärmeeinbringen, Abkühlbedingungen
Einleitung
11. Gefahrgut-Technik-Tage Berlin 925.11.2008
Einleitung
Kaltrissprüfverfahren Ergebnis Anwendungsbereich
CTS-Versuch(Controlled ThermalSeverity-Test)
qualitativ Eignungs- undAbnahmeprüfungen fürSchweißzusätze undGrundwerkstoffe
quantitativ, wennVorwärmtemperatur,Wärmeeinbringen oder diffusiblerWasserstoff als Kriteriumverwendet wird
Bestimmung derVorwärmtemperatur und desmax. diffusiblenWasserstoffgehaltes
Y- und U-Naht-Versuch(TEKKEN-Versuch)
qualitativ Eignungs- undAbnahmeprüfungen fürSchweißzusätze undGrundwerkstoffe
quantitativ, wennVorwärmtemperatur oder diffusiblerWasserstoff als Kriteriumverwendet wird
Bestimmung derVorwärmtemperatur und desmax. diffusiblenWasserstoffgehaltes
Selbstbeanspruchende Kaltrissprüfverfahren und ihreAnwendungsgebiete
11. Gefahrgut-Technik-Tage Berlin 1025.11.2008
Einfluss des Wasserstoffes auf diemechanischen Eigenschaften hochfester
Feinkornbaustähle
• Schweißsimulation an S690Q und S1100QL• Wasserstoffbeladung• Trägergasheißextraktion• Ermittlung mechanischer Eigenschaften für verschiedene
Schweißnahtbereiche• Einfluss des Wasserstoffes auf die Festigkeit und Zähigkeit• TSF-Diagramm zur Bewertung der Kaltrisssensibilität
11. Gefahrgut-Technik-Tage Berlin 1125.11.2008
Chemisches Element S690Q Union NiMoCr S1100QL Union X96 C [%] 0.116 0.0687 0.17 0.1206 Si, Mn [%] 0.402, 1.52 0.58, 1.60 0.271, 0.854 0.78, 1.86 P, S [%] 0.0169, <0.001 0.0102, <0.001 Cr, Mo [%] 0.498, 0.111 0.20, 0.52 0.459, 0.451 0.46, 0.53 Ni, V [%] 0.481, 0.0536 1.40 1.88, 0.0232 2.36 Nb, B [%] <0.005, 0.0005 0.0117, 0.0013 Ti [%] 0.0037
Chemische Zusammensetzung der Werkstoffe
Grundwerkstoffe: hochfeste Feinkornbaustähle S 690 Q und S 1100 QL
Zusatzwerkstoffe: Union NiMoCr und Union X96
11. Gefahrgut-Technik-Tage Berlin 1225.11.2008
GWEZ
FWEZ GW
SG
Problem:geringeAusdehnung derWEZ
Lösung:Simulation der WEZdurch einedefinierteWärmebehandlung
Gefüge einer realen Schweißnaht
11. Gefahrgut-Technik-Tage Berlin 1325.11.2008
Mikrostruktur der WEZ (S690Q)
grob- körnige WEZ einer realen Schweißnaht
fein- körnige WEZ einer realen Schweißnaht
schweiß- simulierte grob- körnige WEZ
Schweiß- Simulierte fein- körnige WEZ
Gefüge der Wärmeeinflusszone
11. Gefahrgut-Technik-Tage Berlin 1425.11.2008
Hochfeste Grundwerkstoffe und Schweißnahtgefüge(wasserstofffrei)
Mechanical properties
S690Q Union NiMoCr (SG)
S1100QL Union X96 (SG) GW GWEZ FWEZ GW GWEZ FWEZ
Zugfestigkeit [MPa] 764 1243 1261 782 1348 1366 1399 1071 Streckgrenze [MPa] 709 880 908 697 1150 1000 1010 985 Bruchdehnung [%] 20 15 13 17 15 15 15 14 Brucheinschnürung [%] 77 67 71 68 69 64 65 51
Mechanische Eigenschaften
11. Gefahrgut-Technik-Tage Berlin 1525.11.2008
hydrogen concentration [Nml/100g]
Rp
0,2
, R
m [M
Pa]
Grundwerkstoff
hydrogen concentration [Nml/100g]
Rp
0,2
, R
m [M
Pa]
hydrogen concentration [Nml/100g]
Rp
0,2
, R
m [M
Pa]
hydrogen concentration [Nml/100g]
Rp
0,2
, R
m [M
Pa]
SchweißgutFeinkörnige WEZ
Grobkörnige WEZ
Ergebnisse S690Q (Festigkeitswerte)
11. Gefahrgut-Technik-Tage Berlin 1625.11.2008
strain [%]
stre
ss [
MP
a] 3 ml
0 ml
0,5 ml0,2 ml
1 ml2 ml
80 %
Wasserstoffeinfluss
11. Gefahrgut-Technik-Tage Berlin 1725.11.2008
no crack
crack
hydrogen concentration [Nml/100g]
true
elon
gatio
n af
ter f
ract
ure
Grundwerkstoff
crack
no crack
hydrogen concentration [Nml/100g]
true
elon
gatio
n af
ter f
ract
ure
crack
no crack
hydrogen concentration [Nml/100g]
true
elon
gatio
n af
ter f
ract
ure
crack
no crack
hydrogen concentration [Nml/100g]
true
elon
gatio
n af
ter f
ract
ure
SchweißgutFeinkörnige WEZ
Grobkörnige WEZ
Ergebnisse S690Q (Dehnungswerte)
11. Gefahrgut-Technik-Tage Berlin 1825.11.2008
hydrogen concentration [Nml/100g]
Rp
0,2
, R
m [M
Pa]
hydrogen concentration [Nml/100g]
Rp
0,2
, R
m [M
Pa]
hydrogen concentration [Nml/100g]
Rp
0,2
, R
m [M
Pa]
hydrogen concentration [Nml/100g]
Rp
0,2
, R
m [M
Pa]
Grundwerkstoff
SchweißgutFeinkörnige WEZ
Grobkörnige WEZ
Ergebnisse S1100QL (Festigkeitswerte)
11. Gefahrgut-Technik-Tage Berlin 1925.11.2008
Streckgrenzenverhältnis R=1 bei kritischen Wasserstoffkonzentrationen inSchweißnahtgefügen hochfester Feinkornbaustähle
Risskritische Wasserstoffkonzentrationen
kriti
sche
Was
sers
toffk
onze
ntra
tion
[ml/1
00g]
S355 S1100QLS690Q
GrundwerkstoffGrundwerkstoff
SchweiSchweißßgutgut
WWäärmeeinflusszonermeeinflusszone
steigende Festigkeitsteigende Festigkeit
11. Gefahrgut-Technik-Tage Berlin 2025.11.2008
crackno crack
hydrogen concentration [Nml/100g]
true
elon
gatio
n af
ter f
ract
ure
no crack
crack
hydrogen concentration [Nml/100g]
true
elon
gatio
n af
ter f
ract
ure
no crack
crack
hydrogen concentration [Nml/100g]
true
elon
gatio
n af
ter f
ract
ure
crackno crack
hydrogen concentration [Nml/100g]
true
elon
gatio
n af
ter f
ract
ure
Grundwerkstoff
SchweißgutFeinkörnige WEZ
Grobkörnige WEZ
Ergebnisse S1100QL (Dehnungswerte)
11. Gefahrgut-Technik-Tage Berlin 2125.11.2008
FE Analysen zur Ermittlung der lokalen Dehnungen imNahtbereich
• 4 verschiedene Werkstoffbereiche: SG – GWEZ – FWEZ – GW• S1100QL
ISTS11 Conference, 31st September 2006 Quebec, Canada
12 14
Y
Z
SG
GW
GWEZ
FWEZ
Lokale Dehnungen
11. Gefahrgut-Technik-Tage Berlin 2225.11.2008
Wasserstoff-konzentration
kritische Dehnung ekriteloc > ekrit
Kaltriss(TEKKEN-
Test)SG GWEZ FWEZ GW
0,9 Nml/100g 0,40 0,24 0,16 0,89 nein nein
2,6 Nml/100g 0,12 0,07 0,06 0,47 ja ja
3,4 Nml/100g 0,10 0,05 0,06 0,40 ja ja
7,8 Nml/100g 0,09 0,03 0,06 0,33 ja ja
Vergleich wasserstoffabhängiger kritischer Dehnungswerte mitberechneten lokalen Dehnungen quer zur Schweißnaht
(εloc = 0,09)
Kaltrisskritische Dehnungswerte
11. Gefahrgut-Technik-Tage Berlin 2325.11.2008
Time-Strain-Fracture Diagramm
GW
FWEZGWEZ
SG
locrisskritisch loc
rissfrei
time
Risszeitpunkt
11. Gefahrgut-Technik-Tage Berlin 2425.11.2008
• Zunehmende Bedeutung hochfester Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen bis zu1100 MPa im Stahlbau
• Einsatz bietet entscheidende Vorteile hinsichtlich Gewichts- undKostenreduzierung
• Sorgfältige Fertigung aufgrund sehr schmaler Arbeitsfenster (Abkühlzeit) nötig
• Häufige Schadensursache während der schweißtechnischen Verarbeitung:Wasserstoffbeeinflusste Rissbildung (Hydrogen Assisted Cold Cracking, HACC)
• Signifikante Reduzierung der Kaltrisssensibilität kann durch z. B. durchWasserstoffarmglühen erreicht werden
• Übertragbarkeit von Kaltrisstest auf geschweißte Konstruktionen nicht ohneweiteres möglich
Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
11. Gefahrgut-Technik-Tage Berlin 2525.11.2008
Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
• Wahre Bruchdehnung stellt geeigneten Kennwert zur Beschreibung desWasserstoffeinflusses auf ein bestimmtes Gefüge dar, weil sie für alleuntersuchten Gefügezustände in hochfesten Feinkornbaustählen die Effektedes Wasserstoffs signifikant reflektiert.
• Bauteilübertragbarkeit ist möglich, wenn die lokale Dehnung an risskritischenStellen der Konstruktion bestimmt werden kann (Simulation).
• Mit der mathematischen Erfassung der jeweils oberen und unteren Hüllkurvedes Kennwertes ergibt sich die Möglichkeit, die Ergebnisse direkt in numerischeSimulationen zur Sicherheit geschweißter Konstruktionen in Form von best-case oder worst-case Szenarien einfließen zu lassen.
• Mittels Time Strain Fracture Diagramm kann das potenielle Risiko für einewasserstoffunterstützte Rissbildung eines gefügten Bauteils bewertet werden.(wahre Bruchdehnung)
11. Gefahrgut-Technik-Tage Berlin 2625.11.2008