8 Zerstörungsfreie Prüfung
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Organisationseinheit der BAM
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Die Erzeugung rissschließfreier Anrisse in gekerbten bruchmechanischen Proben für anschließende Ermüdungsversuche kann durch eine zyklische Druckbelastung an der Kerbe erfolgen: Bei der Erstbelastung wird eine plastische Verformung an der Kerbspitze erzeugt, welche Zugeigenspannungen und damit eine risstreibende Kraft bei der folgenden zyklischen Druckbelastung hervorruft. Durch das Risswachstum kommt es zu einer Entspannung, bis der Riss schließlich arretiert, weil die effektive risstreibende Kraft auf den Schwellenwert abgesunken ist. Um Kurzrisswachstum in additiv, mittels pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen (Laser Powder Bed Fusion - LPBF) gefertigtem AISI 316L Stahl und seinem konventionell erzeugten, warmgewalzten Pendant zu untersuchen, wurde dieses Verfahren im Rahmen der vorliegenden Arbeit genutzt. Im Falle des additiv gefertigten Materials kam es zu unerwartet langem Ermüdungsrisswachstum, bevor der Riss arretierte. Zur Ermittlung der Ursache erfolgte eine Messung der Eigenspannungsverteilungen mittels Neutronendiffraktion in der Kerbebene der additiv gefertigten Proben. Anschließend wurde ein Finite-Elemente-Modell zur Simulation des Ermüdungsrisswachstums in konventionellem und additiv gefertigtem Material implementiert. Im Rahmen dieses Vortrages wird insbesondere auf das Vorgehen bei der Simulation und auf die getroffenen Annahmen und Vereinfachungen eingegangen. Die Resultate werden mit den experimentellen Ergebnissen verglichen und das für die Simulation von Risswachstum genutzte Knoten-Freigabe-Verfahren (Node-Release), das Einbringen von Eigenspannungen als initiale Spannungen in der Simulation, und die Rechengrößen zur Quantifizierung der risstreibenden Kraft kritisch diskutiert.
Mikrolegierungselemente wie Nb und Ti sind entscheidend für die erwünschte mechanische Festigkeit von vergüteten Feinkornbaustählen mit einer Nennstreckgrenze von ≥ 690 MPa. Aktuelle Spezifikationen geben lediglich Obergrenzen für die chemische Zusammensetzung vor, allerdings können geringfügige Abweichungen erhebliche Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften haben. Die Vorhersage der Schweißbarkeit und Integrität von Schweißverbindungen stellt aufgrund der variierenden Zusammensetzung und Mikrostrukturen Herausforderungen dar. Unerwünschte Effekte wie Erweichung der Wärmeeinflusszone (WEZ) oder Verfestigung können auftreten. Um dies zu untersuchen, wurden verschiedene Mikrolegierungsrouten mit variierenden Ti- und Nb-Gehalten an Laborschmelzen erforscht. Die Basis jeder Route entsprach der üblichen S690QL in Zusammensetzung und Wärmebehandlung. Dreilagenschweißungen wurden mittels Metallaktivgasschweißens (MAG) durchgeführt, um kritische Gefügebereiche zu identifizieren. Die Analyse konzentrierte sich auf Phasenumwandlungen während der Abkühlung und metallurgisches Ausscheidungsverhalten. Die mechanischen Eigenschaften der Schweißnähte wurden durch Zugversuche ermittelt. Die Ergebnisse zeigen einen bedeutenden Einfluss der Mikrolegierungsroute und Schweißwärmezufuhr auf die Ausscheidungskinetik, trotz insgesamt guter Schweißbarkeit der Werkstoffe.
Mikrolegierungselemente, wie Nb und Ti, sind für die signifikante Festigkeitssteigerung von vergüteten, hochfesten Feinkornbaustählen mit einer Nominalstreckgrenze ≥ 690 MPa unerlässlich. Normvorgaben zur chemischen Zu-sammensetzung geben dabei nur obere Grenzwerte für die Hersteller vor. Weiterhin wirken sich bereits kleine Abweichungen in der Legierungsroute teilweise drastisch auf die mechanischen Eigenschaften aus. Somit wird eine adäquate Vorhersage der Schweißeignung und der Integrität der Schweißverbindung aufgrund der variierenden Mikrogefüge erschwert bis unmöglich.
Die Nb-mikrolegierte Güte weist im Vergleich zur Ti-mikrolegierten Güte eine bessere Anlassbeständigkeit auf. Eine divergente Phasenverteilung in den äußeren Zonen der WEZ der Fülllagen erklärt die unterschiedliche Härteverteilung in der WEZ der drei untersuchten Legierungen und die markanten Unterschiede der Kerbschlagzähigkeit. Die quasistatischen Querzugversuche mittels DIC zeigten ein divergentes lokales Dehnungsverhalten auf. Die Ti-mikrolegierte Stahlsorte zeigt ein signifikanten lokales Dehnungsverhalten in der WEZ, wobei hier sich aufgrund der hohen metallurgischen Kerbwirkung Makrostützeffekte während des plastischen Fließens in der WEZ auftreten.
Offshore-Windenergieanlagen erfordern Gründungskonzepte aus unterpulver-(UP-)geschweißten Dickblechen (bspw. der Güte S420ML). Während der Schweißfertigung kann eine zeitverzögerte wasserstoffunterstützte Kaltrissbildung auftreten, deren Bewertung aufgrund der Bauteilgröße von Offshore-Strukturen sehr komplex ist. Deswegen wurde eine bauteilähnliche Geometrie (Mock-Up) entwickelt, um reale Steifigkeitsverhältnisse auf den Labormaßstab zu übertragen. Zusätzliche Versteifungen simulieren die Wirkung einer Einspannung bzw. Schrumpfbehinderung der Schweißnaht. Über die Verwendung von Schweißpulvern mit definierter Feuchte wurden zudem ein Extremszenario der Wasserstoffaufnahme simuliert. Entsprechend der vorgegebenen Mindestwartezeit für die ZfP von bis zu 48 h wurde die Schweißnaht zerstörungsfrei mit Phased-Array-Ultraschall-Prüfung (PAUT) geprüft und die Eigenspannungen über Röntgendiffraktometrie (XRD) bestimmt. Zusätzlich wurde die Wasserstoffverteilung in der Schweißverbindung numerisch simuliert. Außer zulässigen Defekten (wie Poren), wurde keine verzögerte Kaltrissbildung in den Mock-Ups festgestellt, was auf hohe Rissbeständigkeit hindeutet.
Offshore-Windenergieanlagen erfordern Gründungskonzepte aus unterpulver-(UP-)geschweißten Dickblechen (bspw. der Güte S420ML). Während der Schweißfertigung kann eine zeitverzögerte wasserstoffunterstützte Kaltrissbildung auftreten, deren Bewertung aufgrund der Bauteilgröße von Offshore-Strukturen sehr komplex ist. Deswegen wurde eine bauteilähnliche Geometrie (Mock-Up) entwickelt, um reale Steifigkeitsverhältnisse auf den Labormaßstab zu übertragen. Zusätzliche Versteifungen simulieren die Wirkung einer Einspannung bzw. Schrumpfbehinderung der Schweißnaht. Über die Verwendung von Schweißpulvern mit definierter Feuchte wurden zudem ein Extremszenario der Wasserstoffaufnahme simuliert. Entsprechend der vorgegebenen Mindestwartezeit für die ZfP von bis zu 48 h wurde die Schweißnaht zerstörungsfrei mit Phased-Array-Ultraschall-Prüfung (PAUT) geprüft und die Eigenspannungen über Röntgendiffraktometrie (XRD) bestimmt. Zusätzlich wurde die Wasserstoffverteilung in der Schweißverbindung numerisch simuliert. Außer zulässigen Defekten (wie Poren), wurde keine verzögerte Kaltrissbildung in den Mock-Ups festgestellt, was auf hohe Rissbeständigkeit hindeutet.
In Hinblick auf den austenitischen Stahl AISI 316L erzeugt das pulverbettbasierte selektive Laserstrahlschmelzen, als ein additives Fertigungsverfahren, kristallographisch texturierte und Multiskalige Mikrostruktur. Einerseits können diese Mikrostrukturen zu einer Verbesserung der statischen mechanischen Eigenschaften führen (z. B. zu einer höheren Streckgrenze). Andererseits stehen diesen Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften hohe Eigenspannungen gegenüber, die sich nachteilig auf das Ermüdungsverhalten auswirken können. Zur Reduzierung der Eigenspannungen und der daraus resultierenden negativen Auswirkungen auf die Ermüdungseigenschaften, werden Bauteile nach der Herstellung typischerweise wärmebehandelt. In dieser Studie wurde eine niedrige Wärmebehandlungstemperatur von 450°C höher temperierten Behandlungen bei 800 °C und 900 °C gegenübergestellt. Diese Wärmebehandlungstemperaturen bilden die oberen und die untere Grenze ein Spannungsarmglühendes Materials, ohne die prozessinduzierte Mikrostruktur signifikant zu verändern. Zusätzlich bieten diese Temperaturen den Vorteil, dass sie eine übermäßige intergranulare Ausscheidung von Karbiden und TCP-Phasen vermeiden, die zu einer Sensibilisierung des Werkstoffes gegen korrosive Umgebungen führen würden. Die Auswirkungen der Wärmebehandlung auf das Gefüge wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (BSE und EBSD) untersucht. Die Relaxation der Eigenspannungen wurde vor und nach den jeweiligen Wärmebehandlungen bei 800°C und 900°C mittels Neutronenbeugung charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Proben nach der Wärmebehandlung bei 900 °C nahezu spannungsfrei sind, was mit der Auflösung der zellularen Substruktur korreliert.
Entwicklung der Mikrostruktur der mechanischen Eigenschaften und der Eigenspannungen in L-PBF 316L
(2022)
Die additive Fertigung (AM) metallischer Werkstoffe mittels Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) ermöglicht einzigartige hierarchische Mikrostrukturen, die zu Verbesserungen bestimmter mechanischer Eigenschaften gegenüber konventionell hergestellten Varianten derselben Legierung führen können. Allerdings ist das L-PBF-Verfahren häufig durch das Vorhandensein hoher Eigenspannungen gekennzeichnet, die es zu verstehen und zu mindern gilt. Daher ist das Verständnis der Mikrostrukturen, der Eigenspannungen und der daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften entscheidend für eine breite Akzeptanz bei sicherheitskritischen Anwendungen. Die BAM hat ein multidisziplinäres Forschungsprogramm gestartet, um diese Aspekte bei LPBF 316L zu untersuchen. Der vorliegende Beitrag stellt einige der wichtigsten Ergebnisse vor: der Einfluss von Prozessparametern auf die Mikrostruktur, der Einfluss von Mikrostruktur und Textur auf die Festigkeit, Kriechverhalten und Schädigung und die Stabilität von Eigenspannungen und Mikrostruktur unter Wärmebehandlungsbedingungen.
Diese Untersuchung beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Kurzrisswachstum in mittels Laser-Pulverbett-Verschmelzen (LPBF - Laser Powder Bed Fusion) hergestelltem rostfreien austenitischen Stahl. Spezifischer wird die Ermittlung zyklischer R-Kurven untersucht. Diese beschreiben den Aufbau des Widerstands gegen Ermüdungsrisswachstum - d.h. des Schwellenwertes - aufgrund von Rissschließeffekten bei physikalisch kurzen Rissen. Mit Hilfe der zyklischen R-Kurven kann die Fähigkeit eines Bauteils, physikalisch kurze Risse zu arretieren, charakterisiert werden. Wir verfügen damit über eine Schnittstelle zwischen klassischer Ermüdung und Bruchmechanik. Das ist gerade auch für additiv gefertigte (AM – Additive Manufacturing) Materialien von Interesse. Diese weisen prozessintrinsische Defekte auf, die als Initiierungsstellen kurzer Ermüdungsrisse agieren. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wurden zyklische R-Kurven für konventionellen und LPBF AISI-316L-Stahl ermittelt. Insbesondere wurde der Einfluss verschiedener Wärmebehandlungen (WB1: 450°C, WB2: 800°C und WB3: 900°C) auf das Wachstumsverhalten physikalisch kurzer Risse im LPBF-Material untersucht. Aufgrund hoher Eigenspannungen war die Ermittlung des Kurzrisswachstumsverhaltens bei WB1 nicht möglich. Für WB2 und WB3 ergaben sich sehr unterschiedliche zyklische R-Kurven. Untersuchungen der Eigenspannungen, der Bruchfläche (insbesondere der Rauheit) und der Mikrostruktur sollen die Ursachen für das unterschiedliche Verhalten erklären. Die Ergebnisse werden mit den Verhältnissen in konventionellem Material verglichen.