Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Höherfester Feinkornbaustahl (FKB) mit Streckgrenzen ≥ 690 MPa ist als Konstruktionswerkstoff in vielen Industriebranchen unentbehrlich geworden. Anzuführen sind bspw. der Kran-, Nutzfahrzeug-, Brücken-/Anlagenbau und zunehmend auch der allgemeine Stahlbau. Wesentliche Schwerpunkte sind die Maximierung der Nutzlasten (z.B. Trage-, Hublasten usw.) und damit verbundene Ressourceneinsparungen. Eine Werkstoffsubstitution der niederfesten (S235) mit höherfesten Stahlgüten ermöglicht bei gleicher Beanspruchbarkeit eine Reduzierung des Werkstoffeinsatzes von bis zu 70% und kann zu einem Schweißkostenverhältnis von 6 zu 1 führen. Mit zunehmender Festigkeit der FKB werden deutlich höhere Anforderungen an deren schweißtechnische Verarbeitung gestellt. Dies betrifft die Wärmeführung beim Schweißen und die damit verbundene Kaltrissvermeidung. So kam es in der Vergangenheit leider immer wieder zu Schadensfällen, weil gerade die Sensibilität gegenüber einer Degradation der mechanischen Eigenschaften der höherfesten FKB, durch den im Lichtbogen aufgenommenen Wasserstoff, mit steigender Festigkeit signifikant zunimmt und zu wasserstoffunterstützten Kaltrissen führen kann. Für konventionelle MSG-Schweißprozesse liegen bereits Erfahrungen und Regelwerke zur Wärmeführung und entsprechende Wasserstoffgrenzwerte vor. Diese Kenntnisse sind jedoch nicht auf moderne Lichtbogenprozesse mit modifizierten Sprühlichtbogen (mod. SLB) aufgrund deren Prozesscharakteristik übertragbar.
Three high strength Nb-, Ti- and Ti+V- bearing S690QL steels were welded to investigate and compare the effects of microalloy addition on HAZ toughness. Charpy V notch impact tests from three microalloyed welds under different cooling rates have been performed. Fractographic examination shows that several factors including large-sized grain, upper bainite or hard second phase, interact to determine the brittle fracture mode and impaired toughness of Nb bearing weld at high heat input. In contrast to this reduced toughness, Ti bearing welds exhibits satisfied toughness regardless of at a fast or slow cooling rate as a result of limited austenite grain and refined favourable intragranular acicular ferrite structure. Moreover, in the case of such refined structure as matrix, TiN particles are found to be irrelevant to the fracture process and crystallographic misorientation results also confirms that high angle boundaries between fine ferrites plates provide much effective barrier for crack propagation and contribute to improved toughness.
Hydrogen can have an extreme degradation effects in steels, particularly concerning the mechanical properties. These effects can lead to hydrogen assisted cracking in micro-alloyed high strength steels during fabrication and/or operation in industrial applications. The Carrier Gas Hot Extraction method, which functionally combines a mass spectrometer with a Thermal Desorption Analysis process, was used for the detection of ultra-low diffusible hydrogen concentrations in the material specimens. The work shows the interaction between hydrogen and lattice defects in different micro-alloyed materials and HAZ. These steels were prepared in a quenched and tempered condition and in a thermo-mechanically rolled condition. The trapping characteristics of two steel grades, S690QL and S700MC, were studied with respect to the activation energy dependent on carbon content and micro-alloying elements such as Ti, Nb, Mo, Cr and V. The two steel grades exhibited several types of traps: carbide formations, dislocations and/or grain boundaries were common, which can influence activation energy and hydrogen solubility. The type and dimension of inclusions or particles also affected the hydrogen trapping behavior. A decrease of carbon and specific alloying elements in MC steels led to a change in the activation energy binding the trapped hydrogen. This thermo-mechanically hot
rolled steel revealed an increased interaction between hydrogen
and precipitations. The higher carbon content in the
quenched and tempered steel led to a higher interaction
between hydrogen and iron carbide, specifically in the
martensitic phase. Furthermore,the trapping behavior in HAZ showed a significant increase in activation energy, especially in the coarse grained microstructure.
Wasserstoff kann in Überlagerung mit Beanspruchungen zu einem unerwarteten Werkstoffversagen in höherfesten Stählen führen (wasserstoffunterstützte Schädigung von Metallen, starke Abnahme des Verformungsvermögens). Hierbei besteht in der Schweißtechnik die Gefahr einer wasserstoffunterstützten Kaltrissbildung. Der Fokus des Vortrags liegt auf das Wasserstoffbindungsverhalten (Trapping) im Grundwerkstoff und im schweißsimulierten Gefüge. Die Ergebnisse zeigen Unterschiede hinsichtlich der Bindungsenergie und des Fallencharakters. Anhand dieser lassen sich Rückschlüsse ziehen über eine effektive Wärmebehandlung zur Wasserstoffreduktion im Gefüge. Das Ziel ist eine Reduzierung des Risikos einer wasserstoffunterstützten Rissbildung.
Wasserstoff kann in Überlagerung mit Beanspruchungen zu einem unerwarteten Werkstoffversagen in höherfesten Stählen führen (wasserstoffunterstützte Schädigung von Metallen, starke Abnahme des Verformungsvermögens). In der Schweißtechnik besteht die Gefahr der wasserstoffunterstützten Kaltrissbildung. Die Aufnahme von Wasserstoff während des Schweißens lässt sich gänzlich nicht verhindern. Höherfeste Feinkornbaustähle um 700 MPa werden zunehmend mit unterschiedlichen Legierungskonzepten und Herstellungsrouten produziert. Diese Unterschiede erzeugen ein differentes Gefüge und Aussscheidungscharakteristik bei nominell ähnlichen Festigkeiten. Wichtige Vertreter sind der S690QL und der S700MC. Die Ergebnisse zeigen zum einen eine deutliche Abnahme der mechanisch-technologischen Gütewerte, zum anderen eine differente Degradation durch Wasserstoff. Signifikant ist die Abnahme der wahren Bruchdehnung bei bereits geringen Wasserstoffkonzentrationen unterhalb 4 ppm. Weiterhin wurde das Wasserstoffbindungsverhalten (Trapping) im Grundwerkstoff und im schweißsimulierten Gefüge untersucht. Die Ergebnisse zeigen Unterschiede hinsichtlich der Bindungsenergie und des Fallencharakters. Die Resultate belegen, dass eine Reduzierung des eingebrachten Wasserstoffs unabdingbar ist für einen sicheren Betrieb geschweißter Komponenten aus höherfestem Feinkornbaustahl.