TY - THES A1 - Mente, Tobias T1 - Numerische Simulation der wasserstoffunterstützten Rissbildung in austenitisch-ferritischen Duplexstählen N2 - In der Offshore-Industrie werden seit langer Zeit austenitisch-ferritische Duplexstähle eingesetzt, da sie im Vergleich zu herkömmlichen austenitischen hochlegierten Stählen bessere Festigkeitseigenschaften aufweisen und gegenüber rein ferritischen hochlegierten Stählen eine bessere Verformbarkeit bei gleichzeitig verbesserter Korrosionsbeständigkeit, auch in aggressiver Umgebung, bieten. Dennoch zeigt das Schrifttum, dass es trotz dieser guten Eigenschaften zum Versagen von Bauteilen kommen kann, bei dem Wasserstoff für die Schadensursache eine entscheidende Rolle spielt. Zur Klärung der Schädigungsmechanismen unter Einfluss von Wasserstoff kann die numerische Simulation einen entscheidenden Beitrag leisten, da sich experimentelle Ergebnisse besser deuten und zwischen Labortests bis hin zu Bauteilversuchen übertragen lassen. Bisher wurden jedoch meistens makroskopische numerische Betrachtungen zur wasserstoffunterstützten Werkstoffschädigung in Duplexstählen durchgeführt. Die Duplexstähle bestehen jedoch nahezu aus gleichen Teilen an austenitischer und ferritischer Phase, welche unterschiedliche mechanische Eigenschaften als auch Transporteigenschaften für Wasserstoff aufweisen. Zugleich bedingt dies eine unterschiedliche Empfindlichkeit für eine wasserstoffunterstützte Werkstoffschädigung. Daher bestand die Aufgabe dieser Arbeit in der Erstellung eines numerischen Mesomodells eines realen Duplexgefüges, mit dem die Abbildung des Wasserstofftransportverhaltens, der mechanischen Spannungen und Dehnungen sowie der Rissinitiierung und des Rissfortschrittes in den einzelnen Phasen möglich ist. Zudem werden moderne Röntgenbeugungsexperimente genutzt, um den Einfluss von Wasserstoff auf die phasenspezifischen mechanischen Eigenschaften zu bestimmen. Für den Transport von Wasserstoff konnte eine deutliche Abhängigkeit von der Orientierung der austenitischen und ferritischen Phase im Gefüge gezeigt werden, wobei der Wasserstofftransport vornehmlich über die ferritische Phase erfolgt und der Wasserstoff im Austenit stärker getrappt wird. Die numerische Analyse der mechanischen Spannungen und Dehnungen in den Phasen des Duplexstahls zeigte, dass bei einer makroskopisch elastischen Beanspruchung des Duplexgefüges bereits lokal in den Phasen plastische Verformungen auftreten können. Damit verbunden ist ein erhöhtes Risiko für eine wasserstoffunterstützte Werkstoffschädigung bereits im makroskopisch elastischen Bereich, wenn ausreichend hohe Wasserstoffkonzentrationen im Duplexgefüge vorliegen. Die Ergebnisse der numerischen Simulation entsprechen den experimentellen Beobachtungen zum Wasserstofftransport und den lokalen Beanspruchungen in realen Duplexgefügen. Das Modell erlaubt somit die Identifikation risskritischer Bereiche und kritischer Kombinationen von Wasserstoffkonzentration und lokaler Beanspruchung im Duplexgefüge. Die Ergebnisse der simulierten wasserstoffunterstützten Werkstofftrennung stimmen mit experimentellen Beobachtungen zugehöriger Bruchtopographien überein. Insgesamt wird erstmalig eine numerische Simulation der wasserstoffunterstützten Werkstoffschädigung im Duplexstahl, unter Berücksichtigung der lokalen Beanspruchung und Wasserstoffverteilung in den spezifischen Phasen (Austenit / δ-Ferrit), durchgeführt. Die Ergebnisse korrelieren mit experimentellen Beobachtungen und erlauben somit ein besseres Verständnis für die Mechanismen der wasserstoffunterstützten Werkstoffschädigung in Duplexstählen. Die Simulationen unterstützen die Deutung experimenteller Ergebnisse und ermöglichen die Übertragbarkeit auf reale Bauteile. N2 - Duplex stainless steels have been used for a long time in the offshore industry, since they have higher strength than conventional austenitic stainless steels and they exhibit a better ductility as well as an improved corrosion resistance in harsh environments compared to ferritic stainless steels. However, despite these good properties the literature shows some failure cases of duplex stainless steels in which hydrogen plays a crucial role for the cause of the damage. Numerical simulations can give a significant contribution in clarifying the damage mechanisms. Because they help to interpret experimental results as well as help to transfer results from laboratory tests to component tests and vice versa. So far, most numerical simulations of hydrogen-assisted material damage in duplex stainless steels were performed at the macroscopic scale. However, duplex stainless steels consist of approximately equal portions of austenite and δ-ferrite. Both phases have different mechanical properties as well as hydrogen transport properties. Thus, the sensitivity for hydrogen-assisted damage is different in both phases, too. Therefore, the objective of this research was to develop a numerical model of a duplex stainless steel microstructure enabling simulation of hydrogen transport, mechanical stresses and strains as well as crack initiation and propagation in both phases. Additionally, modern x-ray diffraction experiments were used in order to evaluate the influence of hydrogen on the phase specific mechanical properties. For the numerical simulation of the hydrogen transport it was shown, that hydrogen Diffusion strongly depends on the alignment of austenite and δ-ferrite in the Duplex stainless steel microstructure. Also, it was proven that the hydrogen transport is mainly realized by the ferritic phase and hydrogen is trapped in the austenitic phase. The numerical analysis of phase specific mechanical stresses and strains revealed that if the duplex stainless steel is macroscopically loaded in the elastic range local plastic deformation occurs in both Austenite and δ-ferrite phase. Thus, there will be an increasing risk for hydrogen-assisted damage already in the macroscopic elastic range, if sufficiently high hydrogen concentrations are present in the microstructure. The results of the numerical simulations correlate well with experimental observations of the hydrogen transport and local stresses and strains in the duplex stainless steel microstructure. Therefore, the model allows identification of crack critical areas as well as crack critical combinations of local hydrogen concentration and local phase specific mechanical load. The results of the numerical fracture analyses agrees well with experimental observations on hydrogen-assisted cracking in duplex stainless steel with corresponding fracture topographies. Altogether, hydrogen-assisted material damage at the mesoscale level was simulated for the first time taking into account the local stresses and strains as well as the hydrogen distribution in the specific phases (austenite / δ-ferrite) of the duplex stainless steels. The results correlate well with experimental observations and thus allow a better insight in the mechanism of hydrogen-assisted material damage. The numerical simulations support the interpretation of experimental results and allow transferring results of laboratory tests to real components. T3 - BAM Dissertationsreihe - 129 KW - Duplexstahl KW - Numerische Simulation KW - Finite-Elemente-Methode KW - wasserstoffunterstützte Rissbildung PY - 2015 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-5006 SN - 978-3-9816668-9-2 VL - 129 SP - 1 EP - 225 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-500 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Quackatz, Lukas T1 - In situ Untersuchung der Phasenverteilung und der Schmelzbaderstarrung von Duplexstählen mittels laserinduzierter Plasmaspektroskopie (LIBS) N2 - Nichtrostende Duplexstähle (DSS) werden in allen Branchen eingesetzt, bei denen eine hohe Festigkeit in Verbindung mit einer hohen Korrosionsbeständigkeit in aggressiven Medien ge-fordert wird. Beispiele hierfür sind Kraftwerkskomponenten und maritime Strukturen. DSS ha-ben ein ausgewogenes Phasenverhältnis von Ferrit (α) und Austenit (γ). Im Gegensatz zu einphasigen nichtrostenden Stählen vereinen DSS die Vorteile dieser beiden Phasen und kön-nen daher viele Anforderungen der Industrie erfüllen, wie z. B. Gewichtseinsparung oder hohe mechanische Festigkeit. In vielen industriellen Anwendungen werden diese Stähle ge-schweißt. Die Schweißbarkeit wird weitgehend durch die chemische Zusammensetzung be-stimmt. Legierungen mit ferritischer oder ferritisch-austenitischer Erstarrung weisen die höchste Widerstandsfähigkeit gegen Heißrissbildung auf. Das resultierende Phasengleichge-wicht beeinflusst die endgültigen Eigenschaften des Bauteils. Daher kann es von Vorteil sein, den Ferritgehalt des Schweißguts vorherzusehen bzw. zu messen. Das neueste und präzi-seste Gefügediagramm ist das WRC-1992 Diagramm und basiert auf der chemischen Zusam-mensetzung der Grund- und Zusatzwerkstoffe. In diesem Diagramm kann vor dem Schweiß-prozess abgeschätzt werden, welche Volumenanteile von Ferrit und Austenit im resultierenden Schweißgut vorliegen werden. Genutzt wird es bei der schweißtechnischen Verarbeitung von nichtrostenden, austenitischen bzw. Duplex-Stählen. Verschiedene Quellen berichten, dass diverse Legierungselemente nicht berücksichtigt werden und Optimierungen nötig sind. Wei-terhin können Legierungselemente während des Schweißens abdampfen, was die Mikrostruk-tur zum Negativen beeinflusst. Diese Arbeit eruiert zunächst die theoretischen Grundlagen zur laserinduzierten Plasmaspekt-roskopie (LIBS, engl.: laser induced breakdown spectroscopy), die zur in situ Messung chemi-scher Konzentrationen während des Schweißens genutzt werden soll. Weiterhin werden die Grundlagen zur Erstarrung und zur Schweißbarkeit von DSS aufgezeigt. Mithilfe verschiede-ner Kalibriermodelle werden quantitative Messungen mittels LIBS ermöglicht. Um die Ergeb-nisse der LIBS-Analysen zu validieren, wurden Schweißproben angefertigt und LIBS-Messun-gen mit konventionellen Messmethoden, wie die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) und die energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) verglichen. Folglich wurden dann in situ LIBS-Versuche, während des Wolfram-Inertgas-Schweißens (WIG), mit und ohne Schweißzusatz-werkstoff durchgeführt. Hierbei konnten die chemischen Konzentrationen in der Schweißnaht mittels LIBS mit der gleichen Genauigkeit wie die konventionellen Verfahren gemessen wer-den. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist es, die Gültigkeit und Vorhersagegenauigkeit des WRC-1992 Diagramms zu überprüfen. Hierfür wurde der Schweißzusatzwerkstoff mittels PVD-Be-schichtung mit den Legierungselementen Kohlenstoff, Nickel, Mangan, Silizium, Niob und Kup-fer beschichtet. Diese Elemente nehmen maßgeblich Einfluss auf das Phasengleichgewicht Austenit/Ferrit im Schweißgut der Duplexstähle, da sie entweder Ferrit- bzw. Austenitstabilisa-toren sind. Die Messung der ferritischen und austenitischen Phasenanteile im resultierenden Schweißgut wurde mit drei verschiedenen Methoden vergleichend durchgeführt. Mithilfe der Bildanalyse im Lichtmikroskop, einem Fischerscope® sowie der Röntgendiffraktion (XRD). Da-mit sollte auch geprüft werden, inwieweit die Verwendung der jeweiligen Messmethode die Aussagekraft des WRC-1992 Diagramms beeinflusst. Die Vorhersage anhand des WRC-1992 Diagramms war für Nickel, Silizium und Mangan akzeptabel, jedoch bei Niob, Kupfer und Koh-lenstoff waren deutliche Abweichungen zu beobachten. Anpassungen im WRC-1992 Dia-gramm sollten daher für die Elemente Niob, Kupfer und Kohlenstoff vorgenommen werden. Die geringste Genauigkeit und die größte Streuung wurden mit dem XRD-Verfahren erzielt. Daher kann dieses Verfahren für Ferritmessungen an Schweißnähten von Duplexstählen nicht empfohlen werden. KW - LIBS KW - Duplexstahl KW - Vorhersage Phasenanteile PY - 2025 SP - 1 EP - 118 AN - OPUS4-62622 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -