Ermittlung der Rißzähigkeit aus den Werkstoffkenngrößen Streckgrenze und Spaltbruchspannung hochfester Stähle für unterschiedliche Beanspruchungsbedingungen

Zur Ermittlung der Rißzähigkeit aus den Werkstoffkenngrößen Streckgrenze und Spaltbruchspannung, die in kostengünstigeren Verfahren bestimmt werden können, wurden durch Verknüpfung zweier Modellvorstellungen die Rißzähigkeitswerte errechnet und mit den experimentell gefundenen Werten verglichen. Die Kenngrößen Streckgrenze und Spaltbruchspannung wurden für die Stähle St 52-3 und 34 NiCrMo 74 im Zug- und Biegeversuch in Abhängigkeit von Temperatur und Dehngeschwindigkeit aufgenommen. Die Untersuchungen ergaben, daß bei Rißausbreitung durch Spaltbruch der Einfluß von Temperatur und Dehngeschwindigkeit auf die Rißzähigkeit mit Hilfe des dargestellten Ansatzes abgeschätzt werden kann, wenn die jeweilige Streckgrenze sowie die Spaltbruchspannung und die werkstoffspezifische Größe Δx_c gegeben sind.     

Zum Einfluß von Temperatur und Beanspruchungsgeschwindigkeit auf die Zähigkeitskennwerte des Stahls C10 mit unterschiedlicher Korngröße

Untersuchungen an dem unlegierten Stahl C10 in zwei verschiedenen Korngrößen. Ermittlung der Rißzähigkeit K_lc und der kritischen Rißaufweitung δ_c in Abhängigkeit von der Temperatur bei quasistatischer und schlagartiger Beanspruchung. Hinweise auf die Dehnungen an der Rißspitze durch Aufnahmen des rekristallisierten Gefüges. Überprüfung von analytischen und empirischen Korrelationen zwischen Rißzähigkeit, Spaltbruchspannung, Streckgrenze und Verfestigungsexponent.     

Einfluß der Sulfidausbildung auf die mikroskopische Spaltbruchspannung σ*f und Vorhersage der Rißzähigkeit KIc

An vier Schmelzen des Stahles St 52–3 wurde der Einfluß des Schwefelgehaltes und der Sulfidformkontrolle mit CaSi und Cer sowie an dem Stahl StE 36 der Einfluß der Probenlängen längs, quer und senkrecht auf die mikroskopische Spaltbruchspannung σ^*_f untersucht. Die Versuche haben gezeigt, daß durch Einführung eines geeigneten Bruchkriteriums die Bestimmung einer temperaturunabhängigen Spaltbruchspannung σ^*_f möglich ist. Ein Einfluß des Schwefelgehaltes und der Sulfidausbildung auf σ^*_f wurde nicht beobachtet. Weiterhin konnte gezeigt werden, daß mit mikroskopischen Werkstoffkennwerten die Vorhersage makroskopischer Bruchparameter möglich ist, wenn der Einfluß der Rißspitzenabstumpfung berücksichtigt wird.     

Bestimmung von Fließkurven mit dem Warmflachstauchversuch

Zur Bestimmung von Fließkurven werden Warmflachstauchversuche mit dem Warmumformsimulator (Wumsi) des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung durchgeführt. Aus den Meßdaten Werkzeugweg, Stauchkraft und Probentemperatur sowie aus den Abmessungen der Probe wie Anfangsdicke, Anfangsbreite und mittlere Stauchfläche werden Fließkurven unter Anwendung der elementaren Plastomechanik berechnet. Die Auswertung der Fließkurven liefert die Fließgrenze, die maximale Spannung und den Verlauf des differentiellen n-Wertes. Weiterhin wird eine neue Methode angewendet, um die Reibungsverhältnisse beim Warmflachstauchen zahlenmäßig zu berücksichtigen. Aus dem Temperaturverlauf während der Umformung und der Kenntnis der Temperaturabhängigkeit der Fließspannung werden temperaturkorrigierte Fließkurven berechnet. An Beispielen wird erläutert, wie Fließkurven zur Interpretation metallkundlicher Vorgänge genutzt werden können, die während der Umformung ablaufen.     

Abgrenzung der Anwendungsbereiche verschiedener Versagenskonzepte anhand von Übergangstemperaturen

Das Bruchverhalten rißbehafteter Bauteile aus ferritischen Stählen läßt sich qualitativ mit den Übergangstemperaturen T_gy, T_i und T_a beschreiben, deren Definition angegeben wird; ferner werden wichtige Einflußgrößen genannt. In den letzten Jahren wurden, überwiegend auf der Basis der Bruchmechanik, verschiedene Konzepte entwickelt, um aufgrund von Laborversuchen an kleinen Proben quantitative Aussagen über die ertragbare Spannung bzw. zulässige Fehlergröße bei rißbehafteten Großproben und Bauteilen zu machen. In vorliegender Arbeit wurde ein Schema entwickelt, das anhand der obigen Übergangstemperaturen die Gültigkeitsgrenzen dieser Konzepte anzugeben versucht; es gilt für überwiegend zugbeanspruchte Bauteile aus Baustählen mit einer Streckgrenze bis etwa 1000 MPa. Dabei wurden folgende Konzepte berücksichtigt und kurz diskutiert: Linear-elastische Bruchmechanik mit dem K_Ic-Konzept und die elastisch-plastische Bruchmechanik mit den darauf basierenden Konzepten der Instabilitätsvorhersage nach Shih und Kumar, Two-Criteria-Approach (oder Fracture Analysis Diagram), Burdekin-Dawes-Design-Curve und J-Design-Curve, Versagens-Analyse-Diagramm (VAD) der MPA Stuttgart; ferner das Konzept der plastischen Grenzlast und das Konzept nach Soete.     

Einfluß von Probengröße und Umformgeschwindigkeit auf die Aufnahme von Fließkurven

Bei der Aufnahme von Fließkurven ist der exakte Einfluß von Probengröße und Umformgeschwindigkeit auf die Fließspannung strittig. Zur quantitativen Ermittlung wurden in Zylinderstauchversuchen für die Werkstoffe Ck45 und X 10 CrNiTi 18 9 bei verschiedenen Umformgeschwindigkeiten und Probengrößen Fließkurven aufgenommen und die Temperaturentwicklung in den Versuchsproben gemessen. Die Untersuchungen haben folgendes gezeigt: Infolge der Umwandlung von Umformarbeit in Wärme nimmt die für die Fließspannung maßgebliche Probentemperatur während der Umformung zu. Diese ?Verfälschung” der Umformtemperatur der Probe wird durch die jeweils vorliegende Wärmeableitung in die Versuchswerkzeuge mehr oder weniger stark kompensiert. Sowohl Probengröße als auch Umformgeschwindigkeit haben über die Beeinflussung dieser Wärmeableitung einen erheblichen Einfluß auf die Fließspannung, wobei bei der Umformgeschwindigkeit dieser Einfluß teilweise den primären, festigkeitssteigernden Einfluß mehr als aufhebt. Nach den vorliegenden Ergebnissen führt die auf Fließkurven aufbauende Berechnung von Umformprozessen nur dann zu exakten Werten, wenn die thermomechanischen Verhältnisse bei Umformprozeß und Fließkurvenaufnahme ähnlich sind. In anderen Fällen ist es allerdings möglich, die jeweils benötigten Fließkurven unter Berücksichtigung der Temperaturverhältnisse mit relativ hoher Genauigkeit aus adiabaten oder isothermen Fließkurven näherungsweise rechnerisch zu bestimmen.     

Berechnung der Fließkurven von Kerbstäben

Berechnung der Fließkurven von Flachstäben mit Bohrung unter Zugbeanspruchung, von Flachstäben mit Außenkerben unter Zug- oder Biegebeanspruchung sowie von Rundstäben mit Außenkerben unter Zugbeanspruchung. Vergleich der berechneten Fließkurven mit Versuchswerten. Zusammenhang zwischen Kerbwirkung und Stützwirkung. Bedeutung dieses Zusammenhanges für die Belastbarkeit eines Bauteils.     

Der Einfluß des Kerbradius auf die Kollaps- und die Initiierungsgrenztemperatur schweißbarer Baustähle

Kollapsgrenztemperatur T_gy, Initiierungsgrenztemperatur T_i. Einfluß des Kerbradius bei verschiedenen Probengrößen, werkstoffmechanische Zusammenhänge. Einfluß des plastischen Spannungskonzentrationsfaktors, der Spaltbruchfestigkeit und der Streckgrenze auf T_gy. Abschätzung des Einflusses des Kerbradius und der Probengröße auf den plastischen Spannungskonzentrationsfaktor mit Hilfe der Fließlinientheorie und der Spannungen entsprechend dem HRR-Feld. Bedeutung der Ergebnisse für die Sicherheitsanalyse. T_i als Grenztemperatur für die Anwendung elastisch-plastischer Bruchmechanik hinsichtlich Initiierung und Wachstum stabiler Anrisse. Ermittlung von T_i mit gekerbten Proben, insbesondere bei Schweißverbindungen. Einfluß des Kerbradius auf Initiierungskennwerte.     

Beschreibung von Ver- und Entfestigungsvorgängen am Beispiel austenitformgehärteter Stähle mit Hilfe von Fließkurven

Fließkurven beschreiben das Formänderungsvermögen von Werkstoffen. Gleichzeitig liefern sie Informationen über die Wechselwirkung zwischen der Ver- und Entfestigung, wobei diese beiden Eigenschaften temperaturabhängig sind. Fließkurven wurden an Stählen aufgenommen, die sich im wesentlichen in ihrem Kohlenstoffgehalt unterscheiden. Die Bestimmung der Formänderungsfähigkeit erfolgte bei Temperaturen, die denen entsprechen, bei denen eine Austenitformhärtung vorgenommen wird. Die mathematische Beschreibung der Fließkurven läßt erkennen, daß zunächst mit steigender Umformtemperatur die Verfestigungsrate abnimmt. Der Kohlenstoffgehalt erhöht dagegen die Verfestigungsrate. Die dynamische Erholung wird mit wachsender Umformtemperatur beschleunigt, ebenso mit steigendem Kohlenstoffgehalt.     

Beitrag zum Hießverhaften vorverfestigter instabil austenitischer nichtrostender Bänder aus dem Werkstoff 1.4310

Übergang von einer kontinuierlichen [Dehnung unter Zugbelastung bei nicht vorverformtem Blechwerkstoff zu einer stark örtlich begrenzten Dehnung mit ausgeprägter Fließfigurenbildung, die mit zunehmender Reckung innerhalb des parallelen Bereichs der Zugprobe weiterwandert, wenn das Ausgangsmaterial um bestimmte Verformungsgrade auf eine erhöhte Zugfestigkeit vorverformt (abgewalzt) wurde. Es kommt zu einer ausgeprägten oberen und unteren Streckgrenze. Die aufgeschriebene Dehnung (Gesamtdehnung des Meßbereichs) verläuft zunächst unabhängig von der aufgebrachten Zugkraft, springt dann auf ein höheres Kraftniveau, bis die Probe reißt.     

Ermittlung von Fließkurven beim Kaltwalzen anhand gemessener Walzparameter

Nach der Kaltwalztheorie von Bland, Ellis und Ford wird die mittlere Fließspannung für zwei nichtrostende austenitische Stähle (1.4301 und 1.4436) direkt aus den gemessenen Kaltwalzparametern ermittelt. Die so ermittelten Fließkurven sind charakteristisch für das jeweilige Walzgerüst, an dem die Walzparameter gemessen wurden. Die Determinationskoeffizienten (R²-Wert) der Fließkurven beider Stähle weichen erheblich voneinander ab: für die Stahlsorte 1.4301 wurde der R²-Wert zu 0,828 und für den Stahl 1.4436 zu 0,686 bestimmt. Diese Abweichung ist auf das unterschiedliche Verfestigungsverhalten beider Stähle zurückzuführen.     

Versuchsmethodik für Laboruntersuchungen zum Zusammenhang zwischen Herstellungsbedingungen,Gefüge und Werkstoffeigenschaften

Wegen ihrer großen Bedeutung unter den heutigen Herstellungsverfahren wurden thermomechanische Behandlungen durch Warmflachstauchversuche mit dem Warmumformsimulator (Wumsi) des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung durchgeführt. Die gegenüber anderen Simulationsverfahren vergleichsweise großen Wumsi-Proben erlaubten erstmalig mit aus ihnen entnommenen 1/2 CT-Proben auch die Durchführung von Bruchmechanikversuchen an im Labor thermomechanisch behandeltem Stahl. Hierbei wurden die Meßwerte mit einem Laborrechnersystem für die spätere Auswertung gespeichert. Die beschriebene Versuchsmethodik wird exemplarisch mit Versuchsergebnissen an dem Vergütungsstahl 50 CrMo 4 illustriert. Neben einer thermomechanischen Behandlung mit vier simulierten Walzstichen wurde eine konventionelle Vergleichsvariante erzeugt; die Proben wurden bei verschiedenen Temperaturen angelassen. Sowohl bei den Ergebnissen der Zug- und Kerbschlagbiegeversuche, als auch bei den bruchmechanischen Kennwerten Rißzähigkeit K_Ic und J_R-Rißwiderstandskurven zeigte sich die Verbesserung der Werkstoffeigenschaften durch die thermomechanische Behandlung gegenüber denen nach der konventionellen Behandlung.     

Zur Auswertung von Großzugversuchen und Scharfkerbbiegeversuchen an Stählen auf werkstoffmechanischer Grundlage

Sicherheitsanalyse von Bauteilen. Beurteilungskriterien; Großzugversuche; Scharfkerbbiegversuche; Versuche mit ungekerbten Kleinproben. Kraft-Verlängerungs- und Kraft-Kerböffnungs-Schriebe und ihre Zuordnung zur Bruchfläche. Bedeutung der Fließlinien; charakteristische Temperaturen T_gy, t_s und T_d; Temperaturabhängigkeit der Streckgrenze; Spaltbruchfestigkeit. Bedeutung der Fließgrenze von gekerbten oder angerissenen Proben und Bauteilen σ_gr Constraintfaktor. Spannungen und Dehnungen innerhalb und außerhalb der plastischen Zone; plastischer Spannungskonzentrationsfaktor; Übertragbarkeit von T_gy     

Ausscheidungsvorgänge während der Wärmebehandlung kupferhaltiger Stähle

Kupferzusätze in Stahl können in bezug auf Korrosionswiderstand und Festigkeit vorteilhaft sein. Es wurde der Einfluß von Kupfer auf die Korngröße, mechanische Eigenschaften und Mikrostruktur von quasi-binären Fe-Cu-Legierungen ermittelt. Der Verfestigungseffekt von Kupfer im abgeschreckten Stahl entsteht durch Kornverfeinerung, Mischkristallverfestigung (46 N/mm²/(% Cu)) und eventuell durch Ausscheidung von Kupfer während des Abkühlens. Es gilt einen linearen Zusammenhang zwischen Korngröße und Kupfergehalt. Zwischen einigen mechanischen Eigenschaften (Härte, Zugfestigkeit und Streckgrenze) und dem Kupfergehalt gilt aber nur ein linearer Zusammenhang, wenn keine Cu-Ausscheidung während des Abkühlens nach dem Lösungsglühen stattgefunden hat. Die eventuell auftretende Ausscheidungshärtung während der Abkühlung kann eine Erhöhung der Streckgrenze mit bis zu 130 N/mm² bewirken. Das Auftreten einer Ausscheidung während des Abkühlens wurde elektronenmikroskopisch nachgewiesen. Der theoretische Verfestigungsbeitrag wurde mit Hilfe dieser Messungen berechnet und stimmt gut mit den Ergebnissen überein. Mittels Jominy-Versuchen wurde die notwendige Abkühlungsgeschwindigkeit zur Vermeidung einer Ausscheidung wie folgt bestimmt: ln(Abk. Geschw.) [°C/s] = 1,98 · (% Cu) ? 0,08.     

Dynamisches Verhalten einer Zugprüfmaschine mit selbstabgleichendem Kompensator als Kraftmeßgerät

Betrachtung des selbstabgleichenden Kompensators als ein Folgesystem. Das dynamische Verhalten einer 100-kN-Prüfmaschine mit mechanischem Antrieb im elastischen Bereich und im Bereich der ausgeprägten Streckgrenze beim Zugversuch unter verschiedenen Anstrengungsgeschwindigkeiten. Ermittlung der höchstzulässigen Anstrengungsgeschwindigkeit für verschiedene Meßbereiche und unterschiedliche Probendurchmesser. Folgerungen hinsichtlich einer optimalen dynamischen Justierung des Kompensators.     

Warmfließkurven austenitischer Chrom-Nickel-Stähle

Aus den Meßdaten für die im Warmzugversuch ermittelten Warmfließkurven der austenitischen Stähle X 2 CrNi 18 9 (Werkstoff-Nr. 1.4306) und X 10 CrNiNb 18 9 (Werkstoff-Nr. 1.4550) wurde mittels Regressionsanalyse eine Berechnungsgleichung für die Fließspannung erstellt. Diese ermöglichte die Berechnung der Fließspannung für beliebige Umformgrade, -temperaturen und -geschwindigkeiten im Rahmen der untersuchten Bereiche. Die so berechneten Fließspannungen stimmten mit den gemessenen Werten gut überein. Abschließende Gefügeuntersuchungen verdeutlichten den Beginn bzw. Ablauf der Rekristallisation bei beiden untersuchten Stählen: Die Zugabe von Niob behindert danach die Rekristallisation.     

Emissionsgradmessungen zur Verbesserung der berührungslosen Temperaturmessung an Stählen unter Berücksichtigung von Oxidationsvorgängen

Die beschriebene Versuchseinrichtung ermöglicht es, Oxidationsvorgänge an Stählen unter definierten Bedingungen vorzunehmen und dabei zugleich Emissionsgradmessungen durchzuführen. Apparative Probleme wie eine freistehende Probenhalterung und -heizung, Erzielung isothermer Meßflächen und exakte Messung ihrer Temperatur, gleichmäßige und zugleich schnell umstellbare Gasanströmung der Probe sowie Fragen der Gasaufbereitung konnten in zufriedenstellender Weise gelöst werden. Die erreichte Meßunsicherheit von ca. 5 bis 15 % erlaubt es, die Tendenzen der von einem bestimmten Gas infolge Temperatur und Zeit an verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Oberflächen bewirkten Emissionsgrad-Veränderungen aufzuzeigen. Die jeweils erzeugten Proben stehen für Analysen der gebildeten Oxide zur Verfügung. Die Auswertung der Messungen liefern sowohl die Emissionsgrade bei den Wellenlängen 0,71, 0,85, 1,0, 1,6 und 2,1 μm und den Gesamtemissionsgrad als auch die, mit den jeweiligen Strahlungspyrometern gemessenen, scheinbaren Temperaturen während der gesamten Beobachtungszeit in laufender Folge als Zahlenwerte. Für Temperaturmessungen in der betrieblichen Praxis können die Anwender aus den ermittelten Emissionsgrad-Zeitdiagrammen unmittelbar die geeignete örtliche Anordnung der Strahlungspyrometer bestimmen. Die einzustellenden Emissionsgrade können aus den Ergebnistabellen abgelesen werden. Die Ergebnisse lassen sich auch zur Beurteilung von Messungen mit Verhältnispyrometern heranziehen. Systematische Messungen an verschiedenen Stählen mit unterschiedlichen Oberflächenbehandlungen in Verbindung mit Analysen und Strukturbestimmungen der Oxidfilme sollen Aussagen ermöglichen, die für die Anwendung der pyrometrischen Temperaturmessung zu erheblichen Verbesserungen führen. Die Untersuchungen der Oxidschichten werden von H. J. Grabke, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH in Düsseldorf durchgeführt. Die bisher vorliegenden Messungen an Baustahl, Kohlenstoffstahl und hochlegiertem Stahl sind im Forschungsbericht ⁹) beschrieben.     

Zweiparametergleichung zur Abschätzung der Kerbwirkung bei Stahlproben mit verschiedenen Kerbformen

Kritische Beurteilung bekannter Gleichungen zur Errechnung von Kerbwirkungszahlen. Ableitung einer Zweiparametergleichung unter Berücksichtigung der Stützwirkung durch zyklische Verfestigung und durch das Spannungsgefälle in kerbnahen Bereichen. Anwendung dieser Gleichung auf Proben mit Hohlkehlübergängen und Ringkerben. Vergleich mit Ergebnissen aus Versuchen an Stählen unterschiedlicher Zugfestigkeit. Genauigkeit verschiedener Formeln im Falle von Flachproben mit Innenkerben. Einfluß des Spannungsverhältnisses R = σ_min/σ_max auf die Kerbwirkung und auf die zyklische Verfestigung im Kerbgrund. Neue Vorstellungen zur Beurteilung der Kerbempfindlichkeit von Stählen.     

Abhängigkeit der inneren Rückspannung von den Kriechbedingungen bei Reinkupfer und bei den Stählen X 6 CrNi 18 11 und X 8 CrNiMoNb 16 16

Am Beispiel der austenitischen Stähle X 8 CrNiMoNb 1616 und X 6 CrNi 1811 sowie des reinen Metalls SF-Cu, das aus Vergleichszwecken herangezogen wurde, ist die Abhängigkeit der quasi-stationären inneren Rückspannung bei Zeitstandbeanspruchung von den Kriechbedingungen untersucht worden. Die Messungen der inneren Rückspannungen erfolgten anhand von strain transient dip tests. Ermittelt wurden die Abhängigkeiten der quasi-stationären inneren Rückspannung im sekundären Kriech-bereich von der Lastspannung σ und der Temperatur T. Festgestellt wurde hierbei, daß mit zunehmender Lastspannung, bei konstanter Temperatur, die innere Rückspannung σ_i ebenfalls zunahm; das Verhältnis σ_i/σ nahm jedoch ab. Die Zunahme der Temperatur bei konstanter Spannung bewirkte hingegen eine deutliche Abnahme sowohl der inneren Rückspannung als auch des Verhältnisses σ_i/σ. Die stationäre Kriechgeschwindigkeit wurde als Funktion der effektiven Spannung σ_eff aufgefaßt. Bei allen Untersuchungswerkstoffen läßt sich diese Abhängigkeit durch eine Potenzfunktion der effektiven Spannung gut erfassen. Die effektiven Spannungsexponenten sind werkstoffabhängig. Als Näherung kann bei den technischen Werkstoffen der werkstoffunabhängige Exponent 4 herangezogen werden. Beim reinen Metall ist diese Näherung nicht zulässig. Ausgehend von der ermittelten Potenzfunktion wurde die Spannungsabhängigkeit der inneren Rückspannung formuliert. Hiermit wurden die experimentell ermittelten Zusammenhänge gut erfaßt.     

Zur Abschätzung der Sprödbruchsicherheit von Turbinenwellen

Sprödbruchuntersuchungen an Grundwerkstoff und Schweißverbindungen von vier Vergütungsstählen mit rd. 0,2 bis 0,35% C, 0,3% Si, 0,6% Mn, 0,8 bis 2,0% Cr, 0,4 bis 0,7% Mo, bis rd. 2,2% Ni und bis 0,1 % V. Ermittlung kennzeichnender Übergangstemperaturen in Kerbschlagbiegeversuchen sowie der Bruchzähigkeit in Schleuderversuchen an innengekerbten Scheiben mit 600 mm Dmr. und in Bruchmechanikversuchen. Statische Biegeversuche an Kleinproben. Allgemeiner Zusammenhang zwischen Bruchzähigkeit, Kerbschlagzähigkeit und Rißauffangübergangstemperatur (FATT) für ferritische Stähle mit 390 bis 1175 N/mm² Streckgrenze. Errechnung der Sicherheit gegen Sprödbruch bei geschweißten und geschmiedeten Turbinenwellen unter Berücksichtigung der möglichen Anfangsgröße von Fehlstellen und deren Wachstum unter Betriebsbedingungen.