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Effect of Tensile Loading and Temperature on the Hydrogen Solubility of Steels at High Gas Pressure
(2023)
The hydrogen solubility in ferritic and martensitic steels is affected by hydrostatic stress, pressure, and temperature. In general, compressive stresses decrease but tensile stresses increase the hydrogen solubility. This important aspect must be considered when qualifying materials for high‐pressure hydrogen applications (e.g., for pipelines or tanks) by using autoclave systems. In this work, a pressure equivalent for compensating the effect of compressive stresses on the hydrogen solubility inside of closed autoclaves is proposed to achieve solubilities that are equivalent to those in pipelines and tanks subjected to tensile stresses. Moreover, it is shown that the temperature effect becomes critical at low temperatures (e.g., under cryogenic conditions for storing liquid hydrogen). Trapping of hydrogen in the microstructure can increase the hydrogen solubility with decreasing temperature, having a solubility minimum at about room temperature. To demonstrate this effect, the generalized law of the hydrogen solubility is parameterized for different steels using measured contents of gaseous hydrogen. The constant parameter sets are verified and critically discussed with respect to the high‐pressure hydrogen experiments.
Welded joints show large variation of the weld toe geometry along the weld seam, which is one important reason for the comparably large scatter in fatigue life. Therefore, it is crucial to take the local geometry at the weld toe into account, to reduce the conservatism in fatigue assessment of welded joints. This study is based on the IBESS procedure for the calculation of the fatigue strength, whereby the evaluation of local geometrical parameters is carried out by means of 3D surface scans. The approach is validated against 26 fatigue test series. The fatigue life is in general overpredicted, whereas good agreement is achieved for high stress ratio (R = 0.5). A sensitivity analysis conducted with IBESS shows that weld toe radii ρ < 2 mm and flank angle α < 30° have a significant influence on the calculated fatigue strength. In contrast to this, no strong correlation between ρ and the fatigue strength was determined experimentally in this study.
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 formgebendes 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 Nahtgeometrie, Materialausnutzung und Eigenspannungen. Hierfür werden geometrisch definierte Probenkörper (Hohlquader) vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die Wärmeführung wird innerhalb eines statistischen Versuchsplans so variiert, dass die Dt8/5-Abkühlzeiten im empfohlenen Verarbeitungsbereich (ca. 5 s bis 20 s) liegen. 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.
Die Verwendung hochfester Feinkornbaustähle hat für viele Anwendungen des Stahlbaus ein großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen mit ho-her mechanischer Beanspruchbarkeit. Weitere Zugewinne an Effizienz sind durch generative Fertigungsschritte sowie bionische Bauweisen erzielbar. Hierzu stehen bereits kommerzielle hochfeste drahtförmige Zusatzwerkstoffe für formgebendes MSG-Schweißen zur Verfügung. Dem Einsatz stehen noch fehlende quantitative Aussagen zu den fertigungsbedingten Beanspruchungen und der Bauteilsicherheit während Herstellung und Betrieb im Wege. Dies betrifft insbesondere prozess- sowie materialbedingte Einflüsse und die konstruktive Schrumpfbehinderung verbunden mit der Ausbildung hoher Zugeigenspannungen und damit zusammenhängenden Kaltrissbildung.
Hierfür wurden im Projekt detaillierte und anwenderbezogene Kenntnisse zu den komplexen Wechselwirkungen zwischen Schweißprozess und Wärmeführung während der Fertigung, der metallurgischen Vorgänge und insbesondere der vorliegenden konstruktiven Einflüsse auf die entstehenden Eigenspannungen erarbeitet, um ein frühzeitiges Bauteilversagen aufgrund eines hohen fertigungsbedingten Beanspruchungsniveaus bis hin zu einer Rissbildung während der Fertigung sicher zu vermeiden. Gleichzeitig wurden die Einflüsse auf die mechanisch-technologischen Gütewerte systematisch analysiert. Zudem wurden die Auswirkungen trennender Verfahren durch Entfernen der Substratplatte sowie durch die spanende Bearbeitung der Vorformlinge zu Endbauteilgeometrien geklärt, da diese unmittelbar den Eigenspannungszustand beeinflussen und deutlichen Verzug der Bauteile auslösen.
Für das generative Schweißen konnten Verarbeitungsempfehlungen sowie Normenvorgaben erarbeitet werden. Dies hilft insbesondere KMU eine wirtschaftliche, beanspruchungsgerechte und risssichere generative Fertigung von Bauteilen aus hochfesten Feinkornbaustählen zu ermöglichen.
Wire arc additive manufacturing (WAAM) enables the efficient production of weight-optimized modern engineering structures. Further increases in efficiency can be achieved by using high-strength structural steels. Commercial welding consumables for WAAM are already available on the market. Lack of knowledge and guidelines regarding welding residual stress and component safety during production and operation leads to severely limited use for industry applications. The sensitive microstructure of high-strength steels carries a high risk of cold cracking; therefore, residual stresses play a crucial role. For this reason, the influences of the material, the WAAM process, and the design on the formation of residual stresses and the risk of cold cracking are being investigated. The material used has a yield strength of over 800 MPa. This strength is adjusted via solid solution strengthening and a martensitic phase transformation. The volume expansion associated with martensite formation has a significant influence on the residual stresses. The focus of the present investigation is on the additive welding parameters and component design on their influence on hardness and residual stresses, which are analyzed by means of X-ray diffraction (XRD). Reference specimens (hollow cuboids) are welded fully automated with a systematic variation of heat control and design. Welding parameters and AM geometry are correlated with the resulting microstructure, hardness, and residual stress state. Increased heat input leads to lower tensile residual stresses which causes unfavorable microstructure and mechanical properties. The component design affects heat dissipation conditions and the intensity of restraint during welding and has a significant influence on the residual stress.
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.
Various test methods are available for assessing the susceptibility of materials to solidification cracking during welding. In the widely used Varestraint test, the crack length is selected as a criterion as a function of the applied bending strain.
Unfortunately, the crack length does not characterize the material behavior alone but depends to varying degrees on the individual test parameters used, which makes the interpretation of the results difficult. In addition, the crack length is not comparable under different test conditions. To overcome these disadvantages, we have developed a novel evaluation methodology that decouples the machine influence from the material behavior. The measured crack length is related to the maximum possible value specified by welding speed and deformation time. This relative crack length is calculated numerically, considering the orientation of the cracks. Experiments on two high-alloy martensitic welding consumables show that, in contrast to the conventional evaluation, a comparison of different welding parameters becomes possible. Furthermore, the strain rate proved to be a suitable crack criterion in agreement with Prokhorov's hot cracking model.
Metals that are exposed to high pressure hydrogen gas may undergo detrimental failure by embrittlement. Understanding the mechanisms and driving forces of hydrogen absorption on the surface of metals is crucial for avoiding hydrogen embrittlement. In this study, the effect of stress-enhanced gaseous hydrogen uptake in bulk metals is investigated in detail. For that purpose, a generalized form of Sievert's law is derived from thermodynamic potentials considering the effect of microstructural trapping sites and multiaxial stresses. This new equation is parametrized and verified using experimental data for carbon steels, which were charged under gaseous hydrogen atmosphere at pressures up to 1000 bar. The role of microstructural trapping sites on the parameter identification is critically discussed.
This contributed to the knowledge regarding the safe avoidance of cold cracking. In addition to a thermophysical simulation using a dilatometer of different high-strength steels with subsequent tensile testing, reference WAAM specimens (open hollow cuboids) were welded while utilizing a high-strength filler metal (ultimate tensile strength > 790 MPa). The heat control was varied by means of the heat input and interlayer temperature such that the Dt8/5 cooling times corresponded to the recommended processing range (approx. 5 s to 20 s). For the heat input, significant effects were exhibited, in particular on the local residual stresses in the component. Welding with an excessive heat input or deposition rate may lead to low cooling rates, and hence to unfavorable microstructure and component properties, but at the same time, is intended to result in lower tensile residual stress levels. Such complex interactions must ultimately be clarified to provide users with easily applicable processing recommendations and standard specifications for an economical WAAM of high-strength steels. These investigations demonstrated a major influence of the heat input on both the cooling conditions and the residual stresses of components manufactured withWAAM using high-strength filler materials. A higher heat input led to longer cooling times (Dt8/5) and approx. 200 MPa lower residual stresses in the surface of the top layer.
Commercial high-strength fller metals for wire arc additive manufacturing (WAAM) are already available. However, widespread industrial use is currently limited due to a lack of quantitative knowledge and guidelines regarding welding stresses and component safety during manufacture and operation for WAAM structures. In a joint research project, the process- and material-related as well as design infuences associated with residual stress formation and the risk of cold cracking are being investigated. For this purpose, reference specimens are welded fully automated with defned dimensions and systematic variation of heat control using a special, high-strength WAAM fller metal (yield strength>790 MPa). Heat control is varied by means of heat input (200–650 kJ/m) and interlayer temperature (100–300 °C). The ∆t8/5 cooling times correspond with the recommendations of fller metal producers (approx. 5–20 s). For this purpose, additional thermo-physical forming simulations using a dilatometer allowed the complex heat cycles to be reproduced and the resulting ultimate tensile strength of the weld metal to be determined. Welding parameters and AM geometry are correlated with the resulting microstructure, hardness, and residual stress state. High heat input leads to a lower tensile stress in the component and may cause unfavorable microstructure and mechanical properties. However, a sufciently low interlayer temperature is likely to be suitable for obtaining adequate properties at a reduced tensile stress level when welding with high heat input. The component design afects heat dissipation conditions and the intensity of restraint during welding and has a signifcant infuence on the residual stress. These complex interactions are analyzed within this investigation. The aim is to provide easily applicable processing recommendations and standard specifcations for an economical, appropriate, and crack-safe WAAM of high-strength steels.