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Versagensverhalten rissbehafteter Mischschweißnähte - theoretische und experimentelle Untersuchungen
(2011) Büttner, Mathias; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing habil.)
Die Steigerung des Wirkungsgrades und der Wirtschaftlichkeit von chemischen und energietechnischen Anlagen erfordert die optimale Werkstoffauswahl nach den vorherrschenden Betriebsbedingungen. Für das Beispiel des Kraftwerks- und Anlagenbaus stellt die untersuchte Mischschweißverbindung, zwischen einem ferritischen und austenitischen Werkstoff, eine weit verbreitete Kombination in Bezug auf die geforderte Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit dar. Durch die deutlich unterschiedlichen mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften der beiden Werkstoffe ist eine artgleiche Verbindung nicht möglich, weshalb vielfach Nickelbasis-Schweißgüter verwendet werden. Aus dieser Kombination unterschiedlicher Materialen ergibt sich bei Mischnähten eine Abfolge von Bereichen mit teilweise deutlich variierenden mechanischen und thermischen Eigenschaften, woraus ein sehr inhomogener Werkstoff- und Beanspruchungszustand resultiert. Dies kann insbesondere bei Rissen zu deutlich anderen Versagensabläufen, als bei homogenen Werkstoffen oder artgleichen Schweißverbindungen, führen. Aufgrund der fehlenden Detailkenntnis bezüglich des realen Versagensverhaltens angerissener Mischnähte werden nach dem Stand der Technik bruchmechanische Näherungsverfahren zur Bewertung verwendet. Diese Verfahren basieren allerdings auf Methoden, welche für homogene Werkstoffe oder gleichartige Schweißverbindungen entwickelt wurden und liefern bei Mischnähten in der Regel sehr konservative Lösungen. Deshalb liegt der Schwerpunkt der Arbeit auf der Beschreibung des Versagensverhaltens von Mischnähten, unter Verwendung des schädigungsmechanischen Rousselier-Modells. Hierzu wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen zur Charakterisierung der Mischnaht durchgeführt. Im Fokus stand dabei vor allem die Klärung der mikromechanischen Vorgänge während Rissinitiierung und -wachstum durch metallographische und bruchmechanische Untersuchungen. Dadurch konnte der maßgebliche Einfluss der dendritischen Erstarrung auf das Versagensverhalten der Schweißnaht aufgezeigt werden, aus welchem der niedrigste Risswiderstand im Bereich der Verbindungsnaht resultiert. Auf der Basis der durchgeführten experimentellen und fraktographischen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Bereiche der Naht, in welchen Risswachstums- und Erstarrungsrichtung parallel verlaufen, als kritisch anzusehen sind. Bei anderen Mischnähten kann sich dadurch je nach Herstellung der Bereich mit niedrigen Bruchzähigkeiten in anderen Nahtbereichen befinden. Die für die schädigungsmechanische Bewertung mit dem Rousselier-Modell notwendigen Parameter wurden anhand der experimentellen Ergebnisse von gekerbten und ungekerbten Zugversuchen bestimmt. Unter Verwendung dieser Parameter konnte im Vergleich zu den bruchmechanischen Untersuchungen gezeigt werden, dass das Berechnungsmodell in der Lage ist, das Last-Verformungsverhalten, den Initiierungszeitpunkt sowie größere Beträge von stabilem Risswachstum in allen Bereichen der Mischnaht zu beschreiben. Mit den in dieser Arbeit durchgeführten schädigungsmechanischen Berechnungen ist eine realistische Vorhersage der real ablaufenden Versagensmechanismen während der Rissinitiierung und -ausbreitung möglich. Es wurden damit die Grundlagen geschaffen, um die Tragfähigkeit sowie den genauen Versagensablauf von integren und rissbehafteten Mischschweißnähten unter komplexen Belastungen zu berechnen.