Wasserstoffunterstützte Risse an hochfesten · PDF fileS690Q Union NiMoCr (SG) S1100QL Union X96 GW GWEZ FWEZ GW GWEZ FWEZ (SG) Zugfestigkeit [MPa] 764 1243 1261 782 1348 1366 1399

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


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


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)



Zunahme des Verhältnisses von Tragkraft/Gesamtgewicht imMobilkranbau durch Einsatz hochfester Feinkornbaustähle


25.11.2008 11. Gefahrgut-Technik-Tage Berlin 7


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


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


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


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


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


GWEZ

FWEZ GW

SG

Problem:geringeAusdehnung derWEZ

Lösung:Simulation der WEZdurch einedefinierteWärmebehandlung

Gefüge einer realen Schweißnaht


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


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


hydrogen concentration [Nml/100g]

Rp

0,2

, R

m [M

Pa]

Grundwerkstoff


Rp

0,2

, R

m [M

Pa]


Rp

0,2

, R

m [M

Pa]


Rp

0,2

, R

m [M

Pa]

SchweißgutFeinkörnige WEZ

Grobkörnige WEZ

Ergebnisse S690Q (Festigkeitswerte)


strain [%]

stre

ss [

MP

a] 3 ml

0 ml

0,5 ml0,2 ml

1 ml2 ml

80 %

Wasserstoffeinfluss


no crack

crack


true

elon

gatio

n af

ter f

ract

ure

Grundwerkstoff

crack

no crack


true

elon

gatio

n af

ter f

ract

ure

crack

no crack


true

elon

gatio

n af

ter f

ract

ure

crack

no crack


true

elon

gatio

n af

ter f

ract

ure


Grobkörnige WEZ

Ergebnisse S690Q (Dehnungswerte)



Rp

0,2

, R

m [M

Pa]


Rp

0,2

, R

m [M

Pa]


Rp

0,2

, R

m [M

Pa]


Rp

0,2

, R

m [M

Pa]

Grundwerkstoff


Grobkörnige WEZ

Ergebnisse S1100QL (Festigkeitswerte)


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


crackno crack


true

elon

gatio

n af

ter f

ract

ure

no crack

crack


true

elon

gatio

n af

ter f

ract

ure

no crack

crack


true

elon

gatio

n af

ter f

ract

ure

crackno crack


true

elon

gatio

n af

ter f

ract

ure

Grundwerkstoff


Grobkörnige WEZ

Ergebnisse S1100QL (Dehnungswerte)


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


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


Time-Strain-Fracture Diagramm

GW

FWEZGWEZ

SG

locrisskritisch loc

rissfrei

time

Risszeitpunkt


• 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


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)


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