Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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According to the definition of the ASM handbook [1,3], a defect is "an imperfection. that can be shown to cause failure by a quantitative analysis and that would not have occurred in the absence of the imperfection". The topic of the present three-part review is a discussion of defects which can cause failure in cyclically loaded structures. The features discussed comprise material defects such as non-metallic inclusions, pores or micro-shrinkages, etc. and geometric defects such as surface roughness and secondary notches which have their origin in manufacturing, and defects such as surface damage due to scratches, impact events or contact fatigue as well as corrosion pits which arise in service. In this first part, the discussion is prefaced by an introduction to basic aspects which are essential for a deeper understanding of the characteristics and mechanisms how the defects influence fatigue crack initiation and propagation. These include the life cycle of a fatigue crack from initiation up to fracture, crack arrest, multiple crack initiation and coalescence, and the material and geometrical properties affecting these.
This third part of the review on defects as root cause of fatigue failure addresses cavities (pores, micro-shrinkages, unmelted regions), defective microstructures and microcracks as material defects and defects due to local damage during manufacturing, service and maintenance such as dents, scratches and localized corrosion. In addition, damage due to contact fatigue and the effect of surface roughness are discussed in the context of fatigue failure. Also addressed is the competition between different kinds of defects in controlling the initiation and early growth of fatigue cracks.
Heute werden in Stahlkonstruktionen zunehmend hochfeste Baustähle (Streckgrenze ≥ 960 MPa) eingesetzt. Daher sind auch in Schweißnähten solche hohen Festigkeiten gefordert. Jedoch können hohe Eigenspannungen aufgrund geringerer plastischer Dehnungsreserven in diesen Schweißnähten die Sicherheit der Bauteile vermindern. Diese sind insbesondere im Zusammenhang mit Wasserstoff und Härtegefügen risskritisch. Niedrige Bauteilbeanspruchungen und Kosteneinsparungen lassen sich heutzutage mit modernen fokussierten Lichtbogenvarianten und engeren Nahtspalten erreichen. Die vorliegende Studie zeigt allerdings, dass diese modernen Schweißprozesse und die angepasste Nahtgeometrie höhere Wasserstoffkonzentrationen und signifikant gesteigerte oberflächennahe Zugeigenspannungsniveaus bedingen. Anhand mehrlagiger Schweißversuche an S960QL unter Variation von Wärmeführung, Lichtbogenvariante und Nahtöffnungswinkel wurden die Effekte und Wechselwirkungen unter Zuhilfenahme von Eigenspannungsanalytik mittels Röntgendiffraktometrie und Wasserstoffanalytik mittels Trägergasheißextraktion systematisch untersucht. Das Schweißgefüge führte unter kritischer mechanischer Beanspruchung und erhöhtem Gehalt an diffusiblem Wasserstoff insbesondere bei geringem Nahtöffnungswinkel und fokussiertem Lichtbogen zu einer deutlichen Ausbildung von Mikrorissen. Die Mikrorisse führten teils zu einer makroskopischen Ausprägung. Durch Analysen zur Nachwärmung aus der Schweißwärme heraus konnten suffiziente Wärmeführungsparameter für eine effektive Prävention solcher Risse erarbeitet werden. Die vorliegende Arbeit zeigt anhand des Interaktionssystems bei der wasserstoffunterstützten Kaltrissbildung Gefüge-Beanspruchung-Wasserstoff, welche Wärmeführungs- und Schweißparameter sich für die hochfesten Feinkornbaustähle zur Kaltrissvermeidung eignen.
Heute werden in Stahlkonstruktionen zunehmend hochfeste Baustähle (Streckgrenze ≥ 960 MPa) eingesetzt. Daher sind auch in Schweißnähten solche hohen Festigkeiten gefordert. Jedoch können hohe Eigenspannungen aufgrund geringerer plastischer Dehnungsreserven in diesen Schweißnähten die Sicherheit der Bauteile vermindern. Diese sind insbesondere im Zusammenhang mit Wasserstoff und Härtegefügen risskritisch. Niedrige Bauteilbeanspruchungen und Kosteneinsparungen lassen sich heutzutage mit modernen fokussierten Lichtbogenvarianten und engeren Nahtspalten erreichen. Die vorliegende Studie zeigt allerdings, dass diese modernen Schweißprozesse und die angepasste Nahtgeometrie höhere Wasserstoffkonzentrationen und signifikant gesteigerte oberflächennahe Zugeigenspannungsniveaus bedingen. Anhand mehrlagiger Schweißversuche an S960QL unter Variation von Wärmeführung, Lichtbogenvariante und Nahtöffnungswinkel wurden die Effekte und Wechselwirkungen unter Zuhilfenahme von Eigenspannungsanalytik mittels Röntgendiffraktometrie und Wasserstoffanalytik mittels Trägergasheißextraktion systematisch untersucht. Das Schweißgefüge führte unter kritischer mechanischer Beanspruchung und erhöhtem Gehalt an diffusiblem Wasserstoff insbesondere bei geringem Nahtöffnungswinkel und fokussiertem Lichtbogen zu einer deutlichen Ausbildung von Mikrorissen. Die Mikrorisse führten teils zu einer makroskopischen Ausprägung. Durch Analysen zur Nachwärmung aus der Schweißwärme heraus konnten suffiziente Wärmeführungsparameter für eine effektive Prävention solcher Risse erarbeitet werden. Die vorliegende Arbeit zeigt anhand des Interaktionssystems bei der wasserstoffunterstützten Kaltrissbildung Gefüge-Beanspruchung-Wasserstoff, welche Wärmeführungs- und Schweißparameter sich für die hochfesten Feinkornbaustähle zur Kaltrissvermeidung eignen.
Carrier gas hot extraction (CGHE) is a commonly applied technique for determination of hydrogen in weld joints using a thermal conductivity detector (TCD) for hydrogen measurement. The CGHE is based on the accelerated hydrogen effusion due to thermal activation at elevated temperatures. The ISO 3690 standard suggests different specimen geometries as well as necessary minimum extraction time vs. temperature. They have the biggest influence on precise hydrogen determination. The present study summarizes the results and experience of numerous test runs with different specimen temperatures, geometries (ISO 3690 type B and small cylindrical samples), and factors that additionally influence hydrogen determination. They are namely specimen surface (polished/as-welded), limited TCD sensitivity vs. specimen volume, temperature measurement vs. effects of PI-furnace controller, as well as errors due to insufficient data assessment. Summarized, the temperature is the driving force of the CGHE. Two different methods are suggested to increase the heating rate up to the desired extraction temperature without changing the experimental equipment. Suggestions are made to improve the reliability of hydrogen determination depended on the hydrogen signal stability during extraction accompanied by Evaluation of the recorded data. Generally, independent temperature measurement with dummy specimens is useful for further data analysis, especially if this data is used for calculation of trapping kinetics by thermal desorption analysis (TDA).
Defects as a root cause of fatigue failure of metallic components. II: Non-metallic inclusions
(2019)
This second part of the review on defects as root cause of fatigue failure comprises the origin, the nature and the effects of non-metallic inclusions. Topics addressed are the different kinds of inclusions formed during the manufacturing process, various types of mis-match causing local stresses and, as a consequence, fatigue crack initiation, and effects of characteristics such as size, morphology, localization, spatial distribution and orientation of the defects on the fatigue behavior. Methods for inclusion counting and sizing are discussed along with statistical aspects necessary to be considered when evaluating structural components.
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 ersten Teil dieses Beitrages werden grundlegende Untersuchungen zur schweißtechnischen Verarbeitung eines LTT-Zusatzwerkstoffes präsentiert. Dies beinhaltet zunächst die Sicherstellung der Schweißbarkeit sowie die Charakterisierung der Schweißgefüge und deren Härte mit dem Ziel, reproduzierbare Verbindungseigenschaften für die nachfolgende Schwingfestigkeitsprüfung herzustellen.
Der zweite Teil des Beitrages beschäftigt sich mit den dazugehörigen Schwingfestigkeitsuntersuchungen an den Stählen S355J2 und S960Q unter Verwendung konventioneller Zusatzwerkstoffe im Vergleich zum LTT-Zusatz.
Das verwendete Schweißdetail ist eine Verbindungsschweißung am Stumpfstoß unter Variation der Schweißnahtausführung (DY-Naht und V-Naht). Weitergehend wird eine bauteilähnliche Probe (die Längssteife) untersucht, bei der der LTT-Zusatzwerkstoff als zusätzliche Schweißlage aufgebracht wurde. Neben der Schwingfestigkeit werden die Schweißnähte hinsichtlich der Eigenspannungen, der Eigenspannungsstabilität im Schwingversuch sowie metallografisch charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass LTT-Zusatzwerkstoffe unter Einhaltung wesentlicher Konstruktionsrichtlinien zu einem deutlichen Anstieg der Schwingfestigkeit führen. Dadurch kann das Leichtbaupotential hochfester Stahlgüten genutzt werden.
In the present study, the susceptibility to HAC of the HSLA steel S960QL with same type of filler material was investigated. For that purpose, both Conv. A and Mod. SA were used with same weld heat input at different deposition rates. For assessment of the HAC susceptibility, the externally loaded Implant-test [ ] was used. Both conducted test series with Conv. A and Mod. SA showed similar crack critical stress of about 280 MPa. Below this value, no delayed fracture appeared. The welds with Mod. SA showed higher hydrogen concentrations. The fracture occurred in the heat-affected zone (HAZ) or in the weld metal (WM). But in all specimens, cracks initiated at the notch root of the spiral notch of the implants within the coarse-grained HAZ. However, the test series with Mod. SA showed a significant extension of the time-to-failure of several hours compared to tests carried out with Conv. A, see Fig. 1a. The reason is the deeper weld penetration in case of Mod. SA (Fig. 1b and Fig. 1c), which causes longer diffusion path for hydrogen. The fracture topography of the ruptured implant specimens with Conv. A was typical ductile in specimen center and quasi-cleavage like at the edge of the specimens. When using Mod. SA, the topography changed to primarily quasi-cleavage fracture topography with shares of intergranular fracture and secondary crack appearance.
This book provides a comprehensive and thorough guide to those readers who are lost in the often-confusing context of weld fatigue. It presents straightforward information on the fracture mechanics and material background of weld fatigue, starting with fatigue crack initiation and short cracks, before moving on to long cracks, crack closure, crack growth and threshold, residual stress, stress concentration, the stress intensity factor, J-integral, multiple cracks, weld geometries and defects, microstructural parameters including HAZ, and cyclic stress-strain behavior. The book treats all of these essential and mutually interacting parameters using a unique form of analysis.
The need for steels with highest mechanical properties is a result of the increasing demands for energy and resource efficiency. In this context, high-strength low-alloyed (HSLA) structural steels are used in machine, steel and crane construction with yield strength up to 960 MPa. HSLA steels enable lightweight construction by thinner necessary plate thickness. However, welding of HSLA steels requires profound knowledge of three factors in terms of avoidance of hydrogen-assisted cracking (HAC): the interaction of (1) microstructure, (2) local stress/strain and (3) local hydrogen concentration. In addition to the three main factors, the used weld-arc process is also important for the performance of the welded joint, especially when using modern arc variants. In the past, the conventional transitional arc process (Conv. A) was mainly used for welding of HSLA grades. In the past decade, the so-called modified spray arc process (Mod. SA) was increasingly used for welding production. This modified arc enables reduced seam opening angles with increased deposition rates compared to the conventional process. Economic benefits of using this arc type are: a reduced number of necessary weld beads and a lower weld seam volume, which result in decreased total welding time and costs. Nonetheless, investigations on a high-strength S960QL showed significantly higher hydrogen concentrations in the weld metal at a reduced seam opening angle with Mod. SA. This indicates an increased risk for the susceptibility of the welded component to HAC. Hence, existing recommendations on HAC-avoidance cannot be transferred directly to the Mod. SA-process.
In the present study, the susceptibility to HAC of the HSLA steel S960QL with same type of filler material was investigated. For that purpose, both Conv. A and Mod. SA were used with same weld heat input at different deposition rates. For assessment of the HAC susceptibility, the externally loaded Implant-test was used. Both conducted test series with Conv. A and Mod. SA showed similar crack critical stress of about 280 MPa. Below this value, no delayed fracture appeared. The welds with Mod. SA showed higher hydrogen concentrations. The fracture occurred in the heat-affected zone (HAZ) or in the weld metal (WM). But in all specimens, cracks initiated at the notch root of the spiral notch of the implants within the coarse-grained HAZ. However, the test series with Mod. SA showed a significant extension of the time-to-failure of several hours compared to tests carried out with Conv. A. The reason is the deeper weld penetration in case of Mod. SA, which causes longer diffusion path for hydrogen. The fracture topography of the ruptured implant specimens with Conv. A was typical ductile in specimen center and quasi-cleavage like at the edge of the specimens. When using Mod. SA, the topography changed to primarily quasi-cleavage fracture topography with shares of intergranular fracture and secondary crack appearance.