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The phase transformation under various cooling rates and in different HAZ regions for high-strength armour steel was analysed by dilatometry. To develop a continuous cooling transformation (CCT) diagram, the samples were heated up to a peak temperature of 1250 °C to achieve a coarse-grained microstructure and then cooled down with a cooling time t 8/5 varying from 3 to 240 s. Analysis of dilatation curves revealed the austenite decomposition process, during which transformation temperatures were determined. The results showed martensitic transformations for all welding-relevant cooling times. Furthermore, to analyse different heat-affected subzones of the weld, the peak temperature was varied between 550 and 1250 °C at a constant cooling time t 8/5 of 6 s. The simulated coarse-grained heat-affected zone (CGHAZ) and fine-grained-heat affected zone (FGHAZ) showed only martensitic transformations with transformation temperatures below 400 °C. The steel exhibited an inhomogeneous hardness with hardening in the CGHAZ and FGHAZ and softening in the intercritical and subcritical HAZ. The physically simulated microstructure was validated by a real hybrid laser-arc weld microstructure.
The influence of the support structure on residual stress and distortion in SLM Inconel 718 parts
(2018)
The effect of support structure and of removal from the base plate on the residual stress state in selective laser melted IN718 parts was studied by means of synchrotron X-ray diffraction. The residual stresses in subsurface region of two elongated prisms in as-built condition and after removal from the base plate were determined. One sample was directly built on a base plate and another one on a support structure. Also, the distortion on the top surface due to stress release was measured by contact profilometry. High tensile residual stress values were found, with pronounced stress gradient along the hatching direction. In the sample on support, stress redistribution took place after removal from the base plate, as opposed to simple stress relaxation for the sample without support. The sample on support structure showed larger distortion compared to sample without support. We conclude that the use of a support decreases stress values but stress-relieving heat treatments are still needed.
Die Verwendung von LTT-Zusatzwerkstoffen stellt einen alternativen Ansatz zu den sonst üblichen Verfahren der Schweißnahtnachbehandlung zur Schwingfestigkeitserhöhung geschweißter Stahlkonstruktionen dar. Der wesentliche Wirkmechanismus beruht auf der Beeinflussung des Eigenspannungszustands durch die niedrige Martensitstarttemperatur bereits während des Schweißens. Dadurch werden die Druckeigenspannungen aus der behinderten Volumenausdehnung infolge Phasenumwandlung voll wirksam. Weiter weist die Schweißnaht eine hohe Härte auf, die die Schwingrissbildung verzögern kann, allerdings auch zu einer niedrigen Kerbschlagarbeit führt.
Im vorliegenden Forschungsvorhaben wurden grundlegende Untersuchungen zur schweißtechnischen Verarbeitung eines LTT-Zusatzwerkstoffes durchgeführt. Dies beinhaltet die Sicherstellung der Schweißbarkeit sowie die Charakterisierung der Verbindungseigenschaften.
Untersuchungen zur Schweißeignung machten deutlich, dass ein sicherer Einsatz in dem für hochfeste Stähle zur Verfügung stehenden Arbeitsfenster möglich ist. Der verwendete LTT-Zusatz auf Cr-Ni-Basis lässt sich mit hoher Nahtgüte fügen. Auch die mechanischen Eigenschaften erlauben den Einsatz im Bereich hochfester Stähle mit einer Streckgrenze von 960 MPa. Entwicklungspotential gibt es hinsichtlich der Zähigkeit. Die in dieser Arbeit erreichten Kerbschlagwerte liegen deutlich unter denen kommerziell verfügbarer konventioneller Schweißgüter. Die Untersuchungen belegen, dass der Effekt der martensitischen Phasenumwandlung im gesamten Schweißgut zum Tragen kommt. Die angestrebten hohen Druckeigenspannungen finden sich vornehmlich im Schweißgutinnern.
Im weiteren Vorgehen wurden Schwingfestigkeitsuntersuchungen an den Stählen S355J2 und S960Q unter Verwendung konventioneller Zusatzwerkstoffe im Vergleich zum LTT-Zusatz durchgeführt. Die verwendeten Konstruktionsdetails sind ein Stumpfstoß unter Variation der Schweißnahtausführung (DY-Naht und V-Naht), ein Kreuzstoß mit HV-Naht sowie ein Überlappstoß mit einseitig und beidseitig geschweißter Kehlnaht.
Weitergehend wurde eine bauteilähnliche Probe (die Längssteife) untersucht, bei der der LTT-Zusatzwerkstoff als zusätzliche Schweißlage aufgebracht wurde. Neben der Schwingfestigkeit wurden die Schweißnähte hinsichtlich der Eigenspannungen, der Eigenspannungsstabilität im Schwingversuch sowie metallografisch charakterisiert.
Eine generell positive Wirkung des LTT-Zusatzwerkstoffes im Hinblick auf die Schwingfestigkeitssteigerung kann nicht bestätigt werden. Teilweise ist eine Steigerung der Schwingfestigkeit bei Substitution konventioneller Zusatzwerkstoffe zu beobachten, teilweise zeigt sich kein Effekt. Ursächlich hierfür ist die bei manchen Stoßformen mangelnde Steifigkeit quer zur Schweißnaht, die zur Ausbildung hoher Druckeigenspannungen infolge Phasenumwandlung notwendig wäre. Die bauteilähnliche Längssteife bestätigt allerdings das grundlegende Potential der LTT-Zusatzwerkstoffe bei Vorliegen hinreichender Steifigkeit.
As opposed to reviewing results on experimental determination of residual stress by diffraction, this paper discusses the open issues when dealing with residual stress determination in additive manufactured parts, in particular those manufactured with laser powder bed fusion techniques. Three points are addressed in detail: (a) the proper determination of the strain-free reference d0, (b) the problem of the determination of the principal axes, and (c) the use of the correct diffraction elastic constants. It is shown that all methods to determine the strain-free reference d0 suffer from caveats, and care must be taken in evaluating the most suitable for the problem being tackled. In addition, it is shown that, in some systems, the principal axes do correspond to the geometrical axes of the specimen, but this needs to be systematically checked, especially in the case of uni- or bidirectional hatching strategies. Finally, the need to experimentally determine the proper diffraction elastic constants is underlined, especially in the case of strongly textured specimens, which again depends on the deposition strategy.
Wirtschaftliche und ökologische Aspekte führten in den letzten Jahren zu deutlich gesteigerten Anforderungen an die Effizienz und die Flexibilität petrochemischer Anlagen. Die heutzutage geforderten Prozesstemperaturen und -drücke lassen sich nur durch den Einsatz neuer warmfester Stahlgüten erreichen. Der mit Vanadium modifizierte Stahl 13CrMoV9-10 weist eine bessere Kriech- und Druckwasserstoffbeständigkeit auf und wird seit Mitte der 90er Jahre im petrochemischen Reaktorbau eingesetzt. Aufgrund der niedrigen Zähigkeit und hohen Festigkeit des Schweißgutes im geschweißten, nicht spannungsarm geglühten Zustand sowie einer erhöhten Sensitivität gegenüber Spannungsrelaxationsrissen bedarf dieser Stahl allerdings einer äußerst sorgfältigen schweißtechnischen Verarbeitung. Bisherige Untersuchungen zur Rissentstehung in warmfesten Stählen konzentrierten sich vorrangig auf thermische und metallurgische Einflussfaktoren, bieten jedoch nur wenige Erkenntnisse zum Einfluss des Schweißprozesses auf die Rissbildung beim Spannungsarmglühen unter Berücksichtigung realitätsnaher Fertigungsbedingungen.
Im ersten Teil wurde zunächst der Einfluss der Wärmeführung auf die mechanischen Eigenschaften anhand von frei schrumpfenden Laborproben untersucht. Während sich die Wärmeführung wesentlich auf die Schweißnahtstruktur auswirkte, war ein signifikanter Effekt auf die mechanischen Eigenschaften nicht nachweisbar. Auch traten infolge der Wärmenachbehandlung der frei schrumpfend geschweißten Proben keine Spannungsrelaxationsrisse auf.
Der zweite Teil umfasste die realitätsnahe Abbildung der Fertigungsbedingungen im petrochemischen Reaktorbau. Zu diesem Zweck wurden die konstruktiven Randbedingungen während des Vorwärmens, Schweißens, des Wasserstoffarmglühens und der abschließenden Wärmenachbehandlung realitätsnah in einer speziellen 3-D-Prüfanlage zur Simulation von Bauteilschweißungen abgebildet. Unter konstruktiver Schrumpfbehinderung gelang der Nachweis der unterschiedlichen Wirkung von Vorwärm- / Zwischenlagentemperatur und Streckenenergie auf die resultierenden Kräfte, Momente und Spannungen. Die Gesamtreaktionsspannung nach dem Schweißen wurde innerhalb des untersuchten Parameterfeldes maßgeblich durch die Streckenenergie beeinflusst.
Ein möglichst geringer Gesamtwärmeeintrag hat die niedrigste Bauteilbeanspruchung zur Folge. Während der Wärmenachbehandlung kam es in allen Versuchen zu Spannungsrelaxationsrissen. Deren kumulierte Länge korrelierte mit den ermittelten schweißbedingten Reaktionsspannungen.
Die Detektion der Risse während der Wärmenachbehandlung im Bauteilversuch erfolgte erstmalig in-situ mittels Schallemissionsanalyse. Die Rissinitiierung fand nachweislich im Temperaturbereich von 300 °C bis 500 °C statt. Die Reaktionsspannungen nach der Wärmenachbehandlung lagen unabhängig von der Ausgangsbelastung auf einem vergleichbaren Niveau. Die Zähigkeit der Schweißverbindung nahm klar gegenüber den frei schrumpfend geschweißten Proben ab.
Mittels REM- und TEM-Analysen an vergleichbaren belasteten und unbelasteten Proben wurde eine beschleunigte Alterung, durch das frühzeitige Ausscheiden von Sonderkarbiden während der Wärmenachbehandlung unter definierter Einspannung (d. h. unter Belastung), nachgewiesen. Die verstärkte Korngrenzensegregation korrelierte mit der signifikanten Abnahme der Kerbschlagarbeit der unter Einspannung geschweißten Proben.
The use of low transformation temperature (LTT) filler materials represents a smart approach for increasing the fatigue strength of welded high strength steel structures apart from the usual procedures of post weld treatment. The main mechanism is based on the effect of the low start temperature of martensite formation on the stress already present during welding. Thus, compressive residual stress formed due to constrained volume expansion in connection with phase transformation become highly effective. Furthermore, the weld metal has a high hardness that can delay the formation of fatigue cracks but also leads to low toughness. Fundamental investigations on the weldability of an LTT filler material are presented in this work, including the characterization of the weld microstructure, its hardness, phase transformation temperature and mechanical properties. Special attention was applied to avoid imperfections in order to ensure a high weld quality for subsequent fatigue testing. Fatigue tests were conducted on the welded joints of the base materials S355J2 and S960QL using conventional filler materials as a comparison to the LTT filler. Butt joints were used with a variation in the weld type (DY-weld and V-weld). In addition, a component-like specimen (longitudinal stiffener) was investigated where the LTT filler material was applied as an additional layer. The joints were characterized with respect to residual stress, its stability during cyclic loading and microstructure. The results show that the application of LTT consumables leads to a significant increase in fatigue strength when basic design guidelines are followed. This enables a benefit from the lightweight design potential of high-strength steel grades.
Solidification Cracking Assessment of LTT Filler Materials by Means of Varestraint Testing and μCT
(2020)
Investigations of the weldability of metals often deal with hot cracking, as one of the most dreaded imperfections during weld fabrication. The hot cracking investigations presented in this paper were carried out as part of a study on the development of low transformation temperature (LTT) weld filler materials. These alloys allow to mitigate tensile residual stresses that usually arise during welding using conventional weld filler materials. By this means, higher fatigue strength and higher lifetimes of the weld can be achieved. However, LTT weld filler materials are for example, high-alloyed Cr/Ni steels that are susceptible to the formation of hot cracks. To assess hot cracking, we applied the standardized modified varestraint transvarestraint hot cracking test (MVT), which is well appropriate to evaluate different base or filler materials with regard to their hot cracking susceptibility. In order to consider the complete material volume for the assessment of hot cracking, we additionally applied microfocus X-ray computer tomography (μCT). It is shown that by a suitable selection of welding and MVT parameter the analysis of the complete 3D hot crack network can provide additional information with regard to the hot cracking model following Prokhorov. It is now possible to determine easy accessible substitute values (e.g., maximum crack depth) for the extent of the Brittleness Temperature Range (BTR) and the minimum critical strain Pmin.
The control of friction and wear is a major concern in many industrial applications. A promising method for tailored surface modification is the so-called laser implantation technique. This method combines surface texturing and material optimization in one processing step by a localized dispersing of hard ceramic particles using pulsed laser radiation. Wear resistant, protruding micrometric features (implants) with defined geometry can be created in a deterministic pattern where needed on highly stressed surfaces, i.e., on forming or cutting tools.
However, in order to maintain the implants over the tool’s lifetime, a suitable selection of hard ceramic particles is a prerequisite. They must provide a defect-free metal matrix composite with a high share of homogeneously distributed particles and, especially, high implant hardness. In this study, TiN, TiC, and TiB2 hard particles were compared as implant materials for the first time. By a systematic variation of pulse power and pulse duration, their dispersing behavior and influence on the material properties of AISI D2 tool steel were investigated.
Although all powder materials had grain sizes smaller than 10 μm, it was possible to disperse them by pulsed laser radiation and to obtain defect-free protruding implants. The highest share of dispersed particles (∼64%) was observed for TiB2. By scanning electron microscopy and energy dispersive x-ray spectroscopy, it was also shown that a significant share of the preplaced particles was dissolved by the laser beam and precipitated as nanometer sized particles within the matrix during solidification. These in situ formed particles have a decisive influence on the material properties. While the TiN and TiC implants have shown maximum hardness values of 750 and 850 HV1, the TiB2 implants have shown the highest hardness values with more than 1600 HV1. By x-ray diffraction, it was possible to ascribe the lower hardness values of TiC and TiN implants to high amounts of retained austenite in the metal matrix. By implanting TiB2, the formation of retained austenite was successfully suppressed due to the in situ formation of TiC particles, which was proven by electron backscatter diffraction.
In conclusion, all the implant materials are basically suitable for laser implantation on AISI D2 tool steel. However, TiB2 has shown
the most promising results.
Residual stresses are often the cause for cracks in weld constructions. That is why the residual stress level, induced by manufacturing process, plays a crucial role. The present study aims on the effect of multiple repair weld procedures on a high-strength structural steel S690QL. The widespread technology of carbon arc-air gouging was applied. The weld zone and the heat-affected zone (HAZ) were subjected to multiple thermal cycles by gouging and subsequent repair welding. The investigations were focused on the change of the residuals stresses, the impact on the microstructure and the changes for the mechanical properties of the repair welded joint. The residual stresses were determined by X-ray diffraction. The results have shown a significant dependence for the residual stress levels from the repair cycle. In addition, distinctive changes in microstructures and hence mechanical properties occurred. The fusion line of the repair weld and the adjacent HAZ are the most critical areas. This is where the loss of ductility is most pronounced.
The subject of this study is how, and to what extent, Varestraint/Transvarestraint test results are influenced by both testing parameters and characteristics of evaluation methods. Several different high-alloyed martensitic LTT (low Transformation temperature) filler materials, CrNi and CrMn type, were selected for examination due to their rather distinctive solidification cracking behaviour, which aroused interest after previous studies. First, the effects of different process parameter sets on the solidification cracking response were measured using standard approaches. Subsequently, microfocus X-ray computer tomography (μCT) scans were performed on the specimens. The results consistently show sub-surface cracking to significant yet varying extents. Different primary solidification types were found using wavelength dispersive X-ray (WDX) analysis conducted on filler metals with varying Cr/Ni equivalent ratios. This aspect is regarded as the main difference between the CrNiand CrMn-type materials in matters of cracking characteristics. Results show that when it comes to testing of modern highperformance alloys, one set of standard Varestraint testing parameters might not be equally suitable for all materials. Also, to properly accommodate different solidification types, sub-surface cracking has to be taken into account.