Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Die additive Verarbeitung hochfester Feinkornbaustähle mittels Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) ist ein komplexes, aber zugleich auch effizientes Verfahren, bei dem Werkstoff, Bauteilgeometrie und Schweißprozess gezielt aufeinander abgestimmt sein müssen. Ziel dieser Studie war es, einen Zusammenhang zwischen den Prozessparametern und der generierten Schichtgeometrie zu ermitteln. Dazu wurden definierte Referenzkörper mit einem robotergestützten Schweißsystem additiv gefertigt und hinsichtlich Schichthöhe, Wandstärke und Mikrostruktur analysiert. Fokus der Untersuchung waren sowohl konventionelle als auch für die WAAM-Fertigung speziell entwickelte hochfeste Schweißzusatzwerkstoffe. Die geometrischen Eigenschaften additiv gefertigter Bauteile lassen sich insbesondere durch die Faktoren Drahtvorschubgeschwindigkeit und Schweißgeschwindigkeit gezielt einstellen. Jedoch können diese Parameter nicht beliebig variiert werden, auch aufgrund der rheologischen Eigenschaften der Zusatzwerkstoffe. Zu hohe Streckenenergien führen zu lokalen Überhitzungen und Fehlstellen in der generierten Schicht. Undefinierte Fließ- und Erstarrungsvorgänge im überhitzten Bereich erschweren die maßhaltige Fertigung. Deshalb wird bei speziellen WAAM-Schweißdrähten das Fließverhalten gezielt modifiziert, sodass es über einen größeren Temperaturbereich hinweg konstant ist. Erst die Kenntnis über die komplexen Zusammenhänge zwischen den Prozessparametern und der Bauteilgeometrie ermöglicht die Erzeugung exakter Schichtmodelle für die additive Fertigung. Dies bildet die Grundlage für die Bearbeitung weiterer Fragestellungen auf dem Gebiet der additiven Fertigung mit hochfesten Zusatzwerkstoffen und insbesondere deren Anwendung in modernen hochfesten Bauteilen.
Additive Manufacturing (AM) opens new possibilities in the design of metallic components, including very complex geometries (e.g. structures optimized for certain loads), optimization of materials (e.g. gradient materials) and cost-effective manufacturing of spare parts. In the recent years, it has been used for the first safety-relevant parts, but the consideration of cyclic mechanical behavior in AM is still at the very beginning. The reason for this is the complexity of mechanical material properties, i.e. inhomogeneity, anisotropy and a large number of defects frequently textured and characterized by large scattering in size. Additionally, high surface roughness and residual stresses with complex distributions are typical of AM. Due to these reasons, the transferability of experimentally determined properties from specimens to components is a challenge. This presentation provides an overview of the questions concerning the application of AM to safety-relevant components. Possible strategies for the fatigue design of such components are presented. Besides the Kitagawa-Takahashi-diagram method and the cyclic R-curve analysis as approaches for damage-tolerant design, the identification of critical locations, the problem of representative material properties and the handling of residual stresses are addressed.
Die dehnungsinduzierte Martensitbildung wurde mittels Röntgen-Diffraktion und -Radiographie mit dem EDDI-Instrument am BESSY II in supermartensitischem Stahl mit Anlassaustenit untersucht. Die Bildung wird durch Wasserstoff im Gefüge unterdrückt. Die Duktilität von wasserstofffreiem SMSS korreliert mit dem Anteil an dehnungs-induziertem Martensit
Einfluss von Konstruktion und Wasserstoff auf die Kaltrissbildung hochfester Feinkornbaustähle
(2020)
Der konstruktive Leichtbau erfordert den zunehmenden Einsatz hochfester Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen ≥ 690 MPa. Neben den durch die Wandstärkenreduzierung erreichbaren Einsparungen an Ressourcen und Fertigungszeit lässt sich eine weitere Minimierung der Schweißzeit und -kosten mittels abgesenkter Schweißnahtvolumina erreichen. Hierzu wurden moderne Lichtbogenprozesse, wie bspw. der modifizierte Sprühlichtbogen (Mod.SLB), mit erhöhter Abschmelzleistung entwickelt, mit denen auch enge Nahtspalte bzw. Nahtöffnungswinkel geschweißt werden können. Hochfeste Verbindungen unterliegen zunehmend erhöhten Anforderungen in Bezug auf die schweißtechnische Verarbeitung und der resultierenden Bauteilperformance und sicherheit. Dies gilt insbesondere beim Bauteil-schweißen mittels solcher Hochleistungsverfahren in Verbindung mit engen Nahtspalten. In der vorliegenden Arbeit soll dieser Herausforderung durch Klärung der Einflüsse auf die Kaltrissbildung bei einem hochfesten Feinkornbaustahl S960QL Rechnung getragen werden. Für die Kaltrissprüfung werden entsprechende adaptierte Proben analog dem selbstbeanspruchenden TEKKEN-Test verwendet und hinsichtlich Rissbildung, Gefüge, Gehalt an diffusiblem Wasserstoff und Eigenspannungen analysiert. Die Variation der Nahtöffnungswinkel der Prüfnähte erfolgt zwischen 30° und 60°. Zur Vermeidung wasserstoffunterstützter Kaltrissbildung wird die Wirksamkeit einer Nachwärmprozedur aus der Schweißwärme heraus untersucht. Als Ergebnis zeigen die Schweißgüter, die an reduziertem Nahtöffnungs-winkel erzeugt wurden, im Mittel etwas höhere Wasserstoffkonzentrationen. Zudem ist an diesen Schweißgütern eine vermehrte Mikro- als auch Makrorissbildung festzustellen. An allen Proben, die nicht nachgewärmt wurden, treten Kerbrisse aufgrund von Kaltrissbildung auf, deren Vermeidung sich durch ein Nachwärmen unmittelbar nach dem Schweißen als besonders effektiv darstellte.
The fatigue design of metallic components is usually based on two different approaches, namely total life and damage tolerance. The former takes into account both the initiation and propagation stages. The latter is based on fracture mechanics and needs an initial defect, which propagates until the critical size under cyclic loading, provided it is large enough. In this case, a residual life rather than a total life is obtained. The overall lifetime of a cyclically loaded structure involves four consecutive stages: a) crack initiation; b) propagation of microstructurally short cracks; c) propagation of physically/mechanically short cracks; d) propagation of long cracks. Considering the propagation from the short crack regime, the damage tolerance approach can be extended to adequately calculate the total life of a component.
The fatigue strength of metallic materials containing defects depends on the non-propagation condition of small cracks emanating from these defects. In this work, the presence of mechanically short cracks from the beginning of the component's life is considered. Consequently, the methodology of analysis must be able to treat adequately local ligament yielding effects typical for short cracks and must include the thorough description of the crack closure effect up to the long-crack regime. In the analysis based on long cracks, the linear-elastic condition is mostly satisfied which allows the use of the linear elastic parameter ΔK for describing the crack driving force. On the contrary, this assumption is not adequate for mechanically short cracks because the crack depth is in the order of the plastic zone. Instead, an elastic-plastic driving force should be considered. Furthermore, the gradual build-up of the plasticity-induced crack closure effect must be considered, which implies a transition from the intrinsic (effective) threshold value, ΔKth,eff, to the long-crack threshold, ΔKth,LC.
The effective component is a material parameter which is dependent on the elastic properties and crystal lattice. The gradual build-up of crack-closure is described by ΔKth,op which is a function of the plastic properties, grain-size, environment conditions, load ratio and crack-depth. The crack closure can be characterized experimentally by the so-called cyclic R-curve. Some other crack closure effects, such as roughness or oxide-debris induced, might be incorporated as well.
The knowledge of the cyclic R-curve can be useful to determine the largest non-propagating crack size at the material fatigue limit. This is realised by means of the so-called cyclic R-curve analysis: The tangent criterion between the driving force and the cyclic R-curve define the transition between crack arrest and propagation. In this regard, a0 is defined as that crack depth which will only grow into a non-propagating crack due to the development of crack closure.
The procedure outlined briefly here has been successfully applied to the determination of the fatigue limits of steel weldments. Considering the stochastic distribution of the weld geometric parameters (namely, weld toe radius, the flank angle, and the excess weld metal) it is possible to perform a full probabilistic cyclic R-curve analysis and determine this way the statistical distribution of the initial crack size at the weld toe at the fatigue limit.
Modified TEKKEN test for studying hydrogen-assisted cracking in high-strength structural steels
(2020)
In the present work, the complex interactions of the influences of material, welding process and seam configuration and the restraint of shrinkage on the residual stresses and the influence of diffusible hydrogen on hydrogen-assisted cracking (HAC) in the high-strength steel S960QL were investigated. For this purpose, self-restraint specimens were selected using the TEKKEN test with correspondingly adapted seam opening angles and a restraint intensity of approx. RFy = 17 kN/(mm·mm). The variation of the seam opening angle of the test seams was between 30° and 60°. Due to the comparatively high restraint of shrinkage in the transverse direction of the weld, high tensile residual stresses in the weld metal were expected for both weld seam configurations. In addition, a dehydrogenation heat treatment (DHT) for HAC prevention under restraint of shrinkage was verified. In order to keep distortion and heat input as low as possible, the seam geometries were manufactured from the solid material by means of electric discharge machining (EDM). Both, solid wire and metal cored wire were used. In addition, hydrogen was added to the shielding gas in solid wire welding to increase diffusible hydrogen concentration. Moreover, welding residual stresses at the weld seam surface, which were measured by using mobile X-ray diffraction, were taken into account to evaluate the HAC behavior. DHT was carried out at 250 °C for 4 h in an external furnace.
Neutron imaging is a valuable tool for measuring hydrogen distributions qualitatively and quantitatively in metals. Time-resolved neutron radiography allows to measure hydrogen mass flow inside cm thick steel samples with ~10 s temporal resolution. Hydrogen accumulations around cracks in embrittled iron samples can be visualized three-dimensionally by neutron tomography. This quality of information allows new insights for the analysis of damage mechanisms on a micrometer scale, e.g. of hydrogen blistering. Even the gas pressure of molecular hydrogen in crack cavities has been measured from tomographic reconstructions to be in the range of 5 MPa to 15 MPa for technical iron. Further, this method is non-destructive and provides local information in situ and in all three dimensions with a spatial resolution of 20 - 30 µm. The combination with other methods gives a new quality of information, e.g. of the hydrogen allocation on fractured surfaces.
Zur Bewertung der Kaltrissempfindlichkeit moderner hochfester Feinkornbaustähle mit dem Implant-Test
(2020)
Der Implant-Test nach ISO 17642-3 gehört zur Gruppe der fremdbeanspruchten Kaltrisstests, bei dem eine äußere Beanspruchung auf einen zylindrischen Stab (Implant-Probe) definiert aufgebracht wird. Mit dieser Kaltrissprüfung wurden vergleichende Analysen zur Kaltrissempfindlichkeit der modernen hochfesten Feinkornbaustähle S960MC und S960QL durchgeführt. Zudem kamen sowohl Massiv- als auch Metallpulverfülldraht zur Variation der Wasserstoffkonzentration zum Einsatz. Der Einsatz des modernen modifizierten Sprühlichtbogens ermöglichte außerdem die Untersuchung des Einbrandprofils auf die Kaltrissbildung.
Für die Bestimmung der Restlebensdauer zyklisch beanspruchter Bauteile kommt dem Schwellenwert für Ermüdungsrissausbreitung ΔKth und dem sich anschließenden Schwellenwertbereich der dadN⁄-ΔK-Kurve große Bedeutung zu. Dem stehen Unsicherheiten bei der Bestimmung und Analyse gegenüber. Der Aufsatz befasst sich mit der Ermittlung des sogenannten intrinsischen Schwellenwerts, der als robuster Eingangsparameter für eine „rissschließfreie“ Analyse der Restlebensdauer von entscheidender Bedeutung ist.