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Die Erkenntnis, dass die Phasenumwandlung bei der Schweißeigenspannungsentstehung hochfester Stähle eine bedeutende Rolle spielt, gibt es bereits seit langer Zeit. Bisher existierten jedoch keine Ansätze, diesen Effekt praktisch zur Schweißeigen- spannungskontrolle zu nutzen. Neuartige Low Transformation Temperature (LTT) Legierungen bieten aufgrund ihrer charakteristischen chemischen Zusammensetzung die Möglichkeit, hochfeste Stähle auf deren Festigkeitsniveau zu fügen. Die martensitische Phasenumwandlung soll zudem eine gezielte Einstellung der Schweißeigenspannungen erlauben. Die im Schrifttum vorliegenden Untersuchungen zu diesem Thema sind zwar zahlreich, bieten jedoch nur wenige Erkenntnisse zur Wechselwirkung zwischen der Phasenumwandlung und den resultierenden Schweißeigenspannungen. Zur Klärung dieser Fragestellung wurde basierend auf Literaturauswertungen eine Matrix von LTT-Legierungen verwirklicht, welche hinsichtlich des Gefüges, der mechanischen Eigenschaften und der Umwandlungstemperaturen charakterisiert wurden. Weiterhin konnten im Rahmen dieser Arbeit erstmals In-situ-Beugungsexperimente während des Schweißens unter Anwendung energiedispersiver Methoden realisiert werden. Die Neukonzeption und Verwirklichung einer Schweißvorrichtung speziell für den Einsatz an Synchrotronstrahllinien ermöglichte die bislang einzigartige In-situ-Analyse der Umwandlungsvorgänge während des Schweißens mit LTT-Legierungen. Im Zuge dieser Experimente konnte neben den im Schweißgut vorherrschenden Umwandlungstemperaturen zusätzlich die Umwandlungskinetik dieser Legierungen ermittelt werden. Die Auswirkungen des Umwandlungsverhaltens wurden anhand der Eigenspannungsverteilungen in der Oberfläche variierender Probengeometrien analysiert. Die Ergebnisse verdeutlichen einerseits, dass die mittels der LTT-Legierungen angestrebte Eigenspannungskontrolle tatsächlich möglich ist. Dies zeigt sich insbesondere dann, wenn eine weitgehend freie Schrumpfung der Naht vorliegt. Mit zunehmender Schrumpfbehinderung ergibt sich jedoch eine Verschiebung des Eigenspannungsniveaus in den Zugbereich. Dies ist bei den hier betrachteten Legierungen vornehmlich in Nahtquerrichtung ausgeprägt. Dagegen ist das Eigenspannungsniveau in Nahtlängsrichtung nahezu unabhängig von den Schrumpfbedingungen. Anhand von Eigenspannungstiefengradienten ließ sich feststellen, dass sich die zusätzliche Schrumpfbehinderung in einer Parallelverschiebung des Eigenspannungsniveaus im Schweißgut äußert. Die Anwendung energiedispersiver Beugungsmethoden erlaubte zudem erstmals die Eigenspannungsermittlung in der parallel zum Martensit vorliegenden austenitischen Phase der LTT-Legierungen. Ergebnisse, die unter Laborbedingungen gewonnen werden, bedürfen zumeist der Überprüfung unter realen Fertigungsbedingungen. Zu diesem Zweck wurde ein Bauteilschweißversuch in einer speziellen Großprüfanalage durchgeführt. Unter konstruktiver Schrumpfbehinderung gelang es, die lastabbauende Wirkung eines spezifischen LTT-Schweißzusatzes anhand einer ausgeprägten Spannungsreduktion während des Schweißens zu belegen. Insgesamt wurde der Nachweis erbracht, dass das Konzept der Low Transformation Temperature (LTT) Legierungen zielführend ist und die nachgewiesene Austenit-Martensitumwandlung einen signifikanten Effekt auf das Eigenspannungsniveau ausübt.
Solid-state phase transformations and the evolution of thermal and elastic strains in novel low temperature transformation (LTT) weld filler materials in the near surface region are monitored in real time by means of an innovative experimental set-up at the PDIFF (powder diffraction) beamline at the synchrotron light source ANKA (Angströmquelle Karlsruhe) at the KIT (Karlsruhe Institute for Technology). The key components of the diffraction set-up are two fast microstrip line detectors, which enables the strain evolution to be followed as a function of time and temperature for a 0.5?s counting time. During controlled heating and cooling cycles, as well as during near welding cycles, the martensite–austenite–martensite phase transitions are analysed. The transformation kinetics are monitored during resistance heating of small chips of the pure LTT alloys and during gas tungsten arc welding of simplified LTT welds using a specially designed welding rig for in-situ studies on the diffraction instruments. Under the mechanically unconstrained condition allowing free thermal expansion and shrinkage, the LTT alloys are found to exhibit decreasing transformation temperatures Ac and MS and increasing phase fraction of retained austenite for increasing Ni content. The strain evolution during welding reveals increased compressive stresses upon welding, which is attributed to the martensite formation upon cooling, which counteracts the thermal contraction strains. Comparison of the transformation temperatures reveals higher values than in the pure LTT alloys, but no variation between the different alloys. On the one hand, this is attributed to preferred grain orientation affecting the diffraction measurements and the determination of the transformation temperatures. On the other hand, it is possible that with the different chemical compositions of the LTT alloys and the mechanical constraints during welding, the evolution of the residual strain and stress may vary and result in counteracting affects with respect to lowered martensite start temperatures.
In-situ analysis of solid state phase transformation in TRIP-aided steels by synchrotron diffraction
(2011)
Energy dispersive synchrotron diffraction (EDXRD) analysis and 3 dimensional digital image correlations were conducted to investigate the stress and strain effected transformation behavior during tensile loading of low alloyed TRansformation Induced Plasticity (TRIP) steel. This technique allowed for phase specific stress measurement during certain tensile load steps in the elastic and also plastic regime. Additionally the simultaneous determination of the load dependent phase content was realized. The results show that the martensite transformation starts only after exceeding the overall yield point and is finished before reaching the uniform elongation, whereas a large portion of the austenite remains unchanged in the structure. Furthermore, the martensite transformation related to the stress in the γ-phase and α-phase was analyzed and quantified.
Energy-dispersive x-ray diffraction offers the possibility for measurement and evaluation of diffraction spectra containing information of various diffraction lines of all contributing crystalline phases of a material. Combined strain imaging and diffraction analysis was conducted during the tensile test of a low alloyed transformation-induced plasticity (TRIP) steel in order to investigate the transformation induced plasticity, strain hardening, and load partitioning effects. Optical strain imaging allowed for determination of localized true strains from three-dimensional deformations measured in situ. High-energy synchrotron radiation has permitted diffraction analysis in transmission mode to gather information from the material interior. Phase-specific stress evolution during loading could be observed applying the sin2ψ technique during certain load steps. The strains of the individual lattice planes were determined in different locations under varying angles between loading and perpendicular direction. Using energy-dispersive methods it was also possible to determine the transformation behaviour during elastic and plastic regime taking into account a large number of diffraction lines. The results show that the approach practised here enables one to pull together macroscopic and phase-specific microscopic material behaviour in order to improve existing models for prediction of complex load situations.
We discuss the stability of weld residual strain under static and quasi cyclic transverse tensile loading in the elastic and elastic–plastic region. The test welds were joined with low transformation temperature weld filler materials with 10 wt% Cr and varying Ni-content from 8 to 12 wt%. Using neutron diffraction the residual lattice strain in the martensitic α'- and austenitic γ-phase in the fusion zone as well as the ferritic α-phase in the heat affected zone and base metal as induced by welding, superimposed by stepwise tensile loading and after unloading was measured. The amount of retained austenite in the fusion zone increases with increasing Ni-content, but it decreases with increasing load level due to stress induced martensite formation. In the as-welded condition the transverse macroscopic residual lattice strain was found to be in low compression in the fusion zone in each weld, while the heat affected zone was in tension. Local plastic deformation of the γ-phase as a result of yielding during tensile loading in combination with the change in phase fraction resulted in increased macroscopic compression in the fusion zone. The reduced yield strength in the heat affected zone resulted in plastic deformation and a considerable shift into compression. Comparison with the cross weld distribution of the hardness and FWHM of the neutron diffraction interference lines supported the assumption of plastic deformation of the γ- and α-phase in the fusion and heat affected zone, respectively, while the α'-phase in the fusion zone was stressed within the elastic regime only. Microstructural observations as well as measurement of the local γ-phase fraction by means of laboratory X-ray diffraction in the fusion zone strengthen these observations.
Controlling the level of mostly detrimental residual stresses already during the welding process would be highly attractive as time and cost consuming post processing may be prevented. Therefore, in this study, the approach using suitable alloy concepts with reduced phase transformation temperatures has been evaluated concerning the interactions between transformation temperature, transformation kinetics and resulting residual stresses. Ideal tools for observing these phenomena in-situ are diffraction techniques. For that purpose, a special setup was developed allowing for localized observation of phase transformation kinetics during a real welding process by energy dispersive synchrotron diffraction (EDXRD). In the present work, this setup was successfully applied for the first time in order to characterize a selection of alloys especially designed for residual stress control. The results demonstrate that in-process observation is highly suitable for characterizing and discussing phase transformation sensitive phenomena like residual stress formation. Furthermore, it was proven that residual stresses can be effectively controlled by means of an adjusted alloy design.
Anwendung des neuen Controlled Tensile Weldability (CTW) Tests zur Untersuchung der Heißrissneigung
(2006)
CT-01 Formation of welding residual stresses in low transformation temperature (LTT) materials
(2008)
Crack and fatigue resistance are relevant evaluation criteria for welded joints and are decreased by tensile residual
stresses resulting from the welding and cooling process, while compressive residual stresses can have a positive
influence on the characteristics mentioned. In order to generate compressive residual stresses, a set of post weld
treatment procedures is available, like shot peening, hammering, etc. These procedures have the disadvantage that
they are time and cost extensive and have to be applied after welding. As another point, such technologies can only
produce compressive stresses at the top surface, i.e. can only contribute to the reduction of the risk of cracks initiated
at the surface, like fatigue cracks. A chance to generate compressive stresses over the complete weld joint during the
welding procedure is offered by the so-called Low Transformation Temperature (LTT -) filler wires. Compared to
conventional wires, these materials show lower phase transformation temperatures, which can work against coolingrelated
tensile stresses, resulting from respective shrinkage restraint. In consequence, distinct compressive residual
stresses can be observed within the weld and adjacent areas. The strength of these fillers makes them potentially
applicable to high-strength steel welding. Welds produced with different LTT filler wires have shown different levels
and distributions of the resulting residual stresses depending on the specific transformation temperature. The
transformation temperatures are determined by temperature measurement. Classical X-ray diffraction as well as
diffraction methods using high energy synchrotron radiation have been used for residual stress analysis. By means of
high energy synchrotron diffraction in reflection mode residual stress depth gradients can be determined nondestructively.
The phase selective nature of the diffraction measurements enables the simultaneous determination of
the phase specific residual stresses of all contributing crystalline phases within one experiment. The application of
white beam diffraction implies recording of a multitude of diffraction lines within the energy range of the provided
energy spectrum of the white beam. By this means phase specific residual stress depth distributions up to distances of
150 ìm below the surface can be analysed for steel using the energy dispersive set-up of the HMI-beamline EDDI at
the Bessy site, Berlin, providing an energy range between 20-150 keV. As a side effect quantitative phase analysis can
be carried out using white energy dispersive diffraction e.g. the determination of the content of retained austenite in the
weld.
Novel martensitic filler materials with specially adjusted martensite start temperatures (Ms) can counteract the cooling specific shrinkage due to expansion effects of the weld metal associated with phase transformations. That can be exploited to create compressive residual stresses in the weld and adjacent areas, i.e. beneficial for increasing fatigue strength. The Ms temperature is shifted via the chemical composition, mainly by the alloying elements nickel and chromium, resulting as well in different retained austenite contents. Investigations were made using different Low Transformation Temperature (LTT) alloys with varying nickel content. The resulting phase transformation temperatures were - for the first time - detected using high energy synchrotron diffraction and Single Sensor Differential Thermal Analysis (SS-DTA). Compared to angle dispersive diffraction, energy dispersive diffraction offers the possibility to measure residual stresses of the martensite and austenite phase parallel fast in one experiment up to depths of 100 µm. The residual stresses show significant distributions dependent on Ms temperature. The effect on the cold cracking behaviour of these alloys was investigated using the Tekken test. Results show that cold cracking can be avoided when appropriate contents of retained austenite are existent.
Cold cracking resistance is a relevant evaluation criterion for welded joints and affected by residual stresses which result from the welding procedure. Compressive residual stresses can thereby have a positive influence on preventing cracking. A unique possibility of generating compressive residual stresses already during the welding procedure is offered by the socalled Low Transformation Temperature (LTT) filler wires. Compared to conventional wires, these materials show decreased phase transformation temperatures which can work against the cooling-specific contraction. In consequence, distinct compressive residual stresses can be observed within the weld and adjacent areas. The strength of these fillers makes them potentially applicable to high-strength steel welding. Investigations were carried out to determine the phase transformation behaviour of different LTT-filler materials. Transformation temperatures were identified using Single Sensor Differential Thermal Analysis (SS-DTA). Additionally Synchrotron radiation was used to measure the transformation kinetics of all involved crystalline phases during heating and cooling of a simulated weld thermal cycle.
Anwendung des neuen Controlled Tensile Weldability (CTW) Tests zur Untersuchung der Heißrissneigung
(2009)
Zugeigenspannungen, wie sie beim Schweißprozess durch inhomogene Temperaturverteilungen und Schrumpfungen hervorgerufen werden, können die Lebensdauer geschweißter Verbindungen signifikant herabsetzen. Eine neue und außerordentlich attraktive Methode, um Druckeigenspannungen bereits während des Schweißens gezielt einzustellen, gelingt mit sogenannten LTT (Low Transformation Temperature)-Legierungen. LTT-Legierungen weisen eine martensitische Phasenumwandlung bei relativ niedrigen Temperaturen auf, wobei die damit verbundene Volumenexpansion zu einer Reduktion der Schrumpfeigenspannungen bzw. Erzeugung von Druckeigenspannungen führt. Zum direkten Nachweis der Phasenumwandlungen und der damit verbundenen resultierenden Schweißeigenspannungen wurden erstmals In-situ-Schweißexperimente unter Nutzung hoch energetischer, polychromatischer Synchrotronstrahlung (Weißstrahl) realisiert, um die Umwandlungskinetik während eines realen Schweißprozesses und die daraus resultierenden Schweißeigenspannungen zu analysieren. Es wird gezeigt, dass mit LTT-Legierungen signifikante Druckeigenspannungen in der Schweißnaht erreicht werden.
High-energy Synchrotron Study of the Stress-stain Behaviour of Hydrogen-charged High Strength Steel
(2012)
High-energy synchrotron study of the stress-strain behavior of hydrogen-charged high strength steel
(2012)
TRIP-steels offer a good combination between strength and ductility. Therefore TRIP-steels are widely used in the automobile industries. The aim of this work is to study the stability of involved phases during heating and to identify the kinetics of the occuring phase transformations. For that purpose, in-situ diffraction measurements, using high energy synchrotron radiation were conducted. The analysis revealed the decomposition of the metastable austenitic phase into carbide and ferrite along the heating process and the regeneration of the austenite by further heating of the sample.
Welding residual stress is of major concern for structural integrity assessment in industrial components. Shear and volume strains resulting from the austenite-martensite-transformation affect the development of residual stress during welding. Controlling the phase transformation allows adjustment of the welding residual stress. Low transformation temperature (LTT) weld filler materials exhibiting reduced MS-temperatures allow postponing the phase transformation. The associated strain arising from the delayed transformation compensates for the thermal contraction strains and as such may reduce tensile or even introduce compressive residual stress. In this article we discuss the tri-axial residual stress distribution in 15 mm S690Q steel plates joined with LTT filler materials with 10 wt% Cr and a Ni-content that varies from 8 to 12 wt%. Using complementary synchrotron X-ray and neutron diffraction stress analysis the macroscopic residual stress was derived from the phase specific lattice strain and phase fraction of martensite and retained austenite, respectively. The local phase specific unstrained lattice parameters were determined using stress relieved combs. The investigation revealed increasing phase fraction of retained austenite with increasing Ni-content. Further, independent of the Ni-content in each weld in the fusion zone, significant compressive residual stresses were found in the longitudinal direction, which are balanced by tensile residual stresses in the heat affected zone (HAZ). In the weld transverse and normal direction the stress distribution is qualitatively similar but less in magnitude. The increased amount of retained austenite reduces the compressive stress arising from shear and volume strains during the delayed phase transformation and therefore no significant increase in compression was observed for decreasing MS-temperatures.
The developments in the field of residual stress determination during the last decades have contributed to a better understanding of the origins and sources of residual stresses in different engineering disciplines. The many investigations concerning the behavior of residual stresses under mechanical loading have also provided a solid foundation to clarify the important aspects of residual stresses and fatigue. The question that arises now is if this available body of knowledge is being used effectively in the field of welding technology to design and construct structures with better fatigue performances. In this paper the necessity of the development of the concept residual stress engineering for welds in which wanted residual stress states are tailored for specific cases by appropriate means will be discussed. The possibilities of the quantitative consideration of the benefits in the fatigue design codes will be presented in a practical example.
Innovative low transformation temperature (LTT) welding filler materials are featuring a characteristic chemical composition which favors the formation of martensite at comparatively low temperatures. This permits deliberate adjustment of welding residual stresses. Even though numerous investigations can be found in the literature on this issue, they provide only little insight into the interaction between phase transformation and resulting welding residual stresses. For this purpose, a component weld test was performed in a special large-scale testing facility. The results illustrate that the desired residual stress control by using LTT alloys is actually feasible. With increasing shrinkage restraint, however, higher tensile residual stresses are formed in transverse direction of the weld. By contrast, the residual stress level in longitudinal weld direction is nearly independent of the restraint conditions. On-line stress analysis revealed that the amount of stress reduction during cooling of the individual weld runs is dependent on the weld volume undergoing phase transformation. Overall, evidence was furnished that the approach of residual stress engineering by LTT alloys is suitable even in the case of large-scale multilayer welding.
Mikrostruktur- und Härteentwicklung in Schweißnähten mit neuartigen LTT-Schweißzusatzwerkstoffen
(2013)
Hochfeste Feinkornbaustähle verfügen über großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen in vielen modernen Stahlkonstruktion. Weitere Effizienzsteigerungen können durch additives Fertigen sowie bionische Bauweisen erreicht werden. Hochfeste Zusatzwerkstoffe für additives MSG-Schweißen (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) sind bereits von den Schweißzusatzherstellern lieferbar. Eine breite industrielle Anwendung insbesondere für KMU ist aufgrund fehlender quantitativer Erkenntnisse und Richtlinien bezüglich schweißbedingter Beanspruchungen und Bauteilsicherheit während der Herstellung und des Betriebs derzeit stark limitiert. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1380/IGF21162BG) der BAM und der TU Chemnitz werden daher die mit Eigenspannungsausbildung und der Gefahr einer Kaltrissbildung verbundenen prozess- und werkstoffbedingten sowie konstruktiven Einflüsse beim WAAM hochfester Stähle untersucht. Der vorliegende Beitrag fokussiert die Analyse der Auswirkungen von Schweißwärmeführung und Design der WAAM-Bauteile auf die Abkühlbedingungen, Gefüge, mechanisch-technologischen Eigenschaften und Eigenspannungen. Hierfür werden geometrisch definierte Probenkörper (Hohlquader) vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die Wärmeführung und Probenabmessungen werden innerhalb eines statistischen Versuchsplans variiert. Die Schweißwärmeführung wird dabei so eingestellt, dass die t8/5-Abkühlzeiten im empfohlenen Verarbeitungsbereich (ca. 5 s bis 20 s) sichergestellt sind. Hierzu ließen sich über zusätzliche thermo-physikalische Umformsimulationen mittels Dilatometer die komplexen Wärmezyklen abbilden und die resultierende Zugfestigkeit des Schweißgutes bestimmen. Das WAAM-Schweißen komplexer Geometrien mit variierenden Schweißwärmeführungen und geometrischen Verhältnissen bzw. Wanddicken bedingt neben den Auswirkungen auf die Abkühlbedingungen, Abkühlzeiten und Gefüge deutliche Einflüsse auf die konstruktiven Steifigkeitsverhältnisse beim Schweißen. Es zeigen sich anhand der Schweißexperimente signifikante Auswirkungen durch Probenskalierung und Wärmeeinbringung auf die resultierenden lokalen Eigenspannungen. Die Folge können ungünstige Bauteileigenschaften und risskritische Zugeigenspannungen sein.
Hochfeste Feinkornbaustähle verfügen über ein großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen in vielen modernen Stahlkonstruktion. Weitere Effizienzsteigerungen können durch additives Fertigen sowie bionische Bauweisen erreicht werden. Kommerzielle hochfeste Zusatzwerkstoffe für additives MSG-Schweißen (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) sind bereits von den Schweißzusatzherstellern lieferbar. Derzeit ist jedoch eine breite industrielle Anwendung insbesondere für KMU aufgrund fehlender quantitativer Erkenntnisse und Richtlinien bezüglich schweißbedingter Beanspruchungen und Bauteilsicherheit während der Herstellung und des Betriebs stark limitiert. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1380/IGF21162BG) der BAM und der TU Chemnitz werden die mit Eigenspannungsausbildung und der Gefahr einer Kaltrissbildung verbundenen prozess- und werkstoffbedingten sowie konstruktiven Einflüsse untersucht. Im Fokus dieser Analysen steht die Bestimmung der Wechselwirkungen zwischen WAAM-Prozessparametern bzw. der Wärmeführung auf das Gefüge und die Eigenspannungen. Hierfür werden Referenzproben als offene Hohlquader mit definierten Abmessungen vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die gezielte Einstellung der geometrischen Eigenschaften erfolgt durch Schweißparameter und Nahtaufbau bei ca. 4 kg/h mittlerer Abschmelzleistung. Die Wärmeführung wird innerhalb eines statistischen Versuchsplanes mittels Streckenenergie (200 kJ/m bis 650 kJ/m) und Zwischenlagentemperatur (100 °C bis 300 °C) so variiert, dass die t8/5-Abkühlzeiten dem empfohlenen Verarbeitungsbereich entsprechen (ca. 5 s bis 20 s). Ziel ist es bei konstanten geometrisch-konstruktiven Randbedingungen, den Einfluss der Wärmeführung auf Gefüge und resultierende Eigenspannungen zu analysieren. Für die Streckenenergie können neben den Gefügeeinflüssen aufgrund der resultierenden Abkühlzeit deutliche Effekte insbesondere auf die lokalen Eigenspannungen im Bauteil belegt werden. Das Schweißen mit zu hoher Wärmeeinbringung bzw. Abschmelzleistung kann zu ungünstigen Gefüge- und Bauteileigenschaften führen, gleichzeitig jedoch niedrigere Zugeigenspannungsniveaus bewirken. Solche komplexen Wechselwirkungen gilt es letztlich mit diesen Untersuchungen zu klären, um leicht anwendbare Verarbeitungsempfehlungen und Normvorgaben für ein wirtschaftliches, anforderungsgerechtes und risssicheres WAAM von hochfesten Stählen den Anwendern zur Verfügung zu stellen.