04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access 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.Item Open Access Hohl- und Verbundguss von Druckgussbauteilen - numerische Auslegungsmethoden und experimentelle Verifikation(2017) Fickel, Paul; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat.)Die Herstellung von Aluminiumstrukturbauteilen mit Hinterschnitten erfordert laut Stand der Technik komplexe Schieber. Bekannte Sandsysteme, Gasinjektionsverfahren, Glaskerne, metallische Ausschmelzkerne oder gepresste Salzkerne sind nur durch Restriktionen des Druckgussprozesses einsetzbar. Somit haben aktuell nur Salzkerne, die aus der flüssigen Phase hergestellt werden, sowie verbleibende metallische Einleger das Potential, im Druckguss verwendet zu werden. Gegossene Salzkerne erreichen hohe Biege- und Druckfestigkeiten und können nach dem Umgussprozess z. B. durch Hochdruckwasserstrahlen rückstandslos entfernt werden. Einleger aus Stahl, die nach dem Umgussprozess im Bauteil verbleiben, stellen eine zusätzliche Verstärkung des Aluminiumbauteils dar. Im Rahmen der Arbeit werden experimentelle Grundlagen zur Herstellung von gegossenen Salzkernen erarbeitet. Aus Voruntersuchungen mit verschiedenen Salzlegierungen im Natriumchlorid-Natriumcarbonat-Phasendiagramm wird eine Zusammensetzung für weiterführende Untersuchungen ausgewählt. Mit Hilfe einer entwickelten Prinzipgeometrie werden die Abhängigkeiten zwischen den Prozessparametern und den resultierenden Festigkeiten sowie der Warmrissanfälligkeit untersucht. Für eine mechanische Charakterisierung werden Biege-, Zug-, und Druckversuche bei Raum- und weiteren Temperaturen durchgeführt. Für die numerische Abbildung des Salzkernherstellungsprozesses werden Simulationsmethoden erarbeitet und anhand experimenteller Untersuchungen verifiziert. Neben den Salzkernen werden Stahleinleger im Druckguss betrachtet und der Verbund experimentell charakterisiert, wobei kraft-, form- und stoffschlüssige Verbindungen betrachtet werden. Für die Verbesserung der stoffschlüssigen Anbindung werden unterschiedliche Beschichtungen appliziert und bewertet. Die Charakterisierung der Anbindungsqualität erfolgt mittels mechanischer Auszug-, Ausdruck-, Scherzug- und Haftzugprüfungen sowie Licht- und Rastermikroskopie. Darauf aufbauend werden Simulationsmethoden entwickelt, um kraft-, form-, und stoffschlüssige Verbindungen numerisch darzustellen. Die Einlegerbelastung und das Schädigungsverhalten der Salzkerne und Stahleinleger werden in Druckgussumgussversuchen untersucht. Eine Simulationsmethodik für die Vorhersage der Einlegerbelastung wird entwickelt und verifiziert. Beide Technologien werden zudem auf Anwendungsbeispiele übertragen und die Vorgehensweise und die Erkenntnisse aus den Prinzipversuchen angewendet.Item Open Access Bruchmechanische Bewertung von Rohrleitungskomponenten auf der Basis statistisch verteilter Werkstoffkennwerte(2008) Julisch, Peter; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Für sicherheitstechnisch relevante Bauteile ist zu gewährleisten, dass Versagen un-ter allen Bedingungen, auch bei Vorhandensein von Materialfehlern oder Rissen, si-cher ausgeschlossen werden kann. Dazu sind zuverlässige bruchmechanische Be-rechnungsmethoden sowie zerstörungsfreie Prüfverfahren notwendig. Der Einsatz bruchmechanischer Berechnungsmethoden erfordert die vertrauenswürdige Kenntnis der Werkstoffkennwerte wie auch der Abmaße der geometrischen Verhältnisse des entsprechenden Bauteils. Um Informationen über die Lage und Geometrie eventuell vorhandener Risse zu bekommen, werden Methoden der zerstörungsfreien Werk-stoffprüfung eingesetzt. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit war es, die statistische Verteilungsfunktion der erforderlichen Werkstoffkennwerte bzw. geometrischen Abmessungen zu bestimmen und mit Hilfe von probabilistischen Methoden die Auswirkungen auf bruchmechani-sche Berechnungen darzustellen. Für die bruchmechanischen Berechnungen wurde die R6-Methode eingesetzt. Um die statistische Streuung der material- und geomet-riespezifischen Einflussgrößen für Bauteilberechnungen zu berücksichtigen, wurde die R6-Methode in einen Monte-Carlo-Algorithmus implementiert. Zur Validierung der Berechnungen wurden begleitende Bauteilversuche an Geradrohren mit Umfangsfehler an der Rohrinnenseite unter Innendruck und überlagerter äußerer Biegung durchgeführt. Die Bedeutung zerstörungsfreier Prüfmethoden für den Bewertungsprozess soll in diesem Zusammenhang dargestellt werden. Zunächst wurden umfangreiche empirische Untersuchungen zur statistischen Verteilung von werkstoffmechanischen Kennwerten mit Relevanz für bruchmechanische Untersuchungen einiger ausgesuchter Stähle vorgenommen. Teilweise wurden ergänzend die geometrischen Abmaßen von Rohrleitungskomponenten statistisch er-fasst. Jeder Einflussgröße der bruchmechanischen Berechnung wurde so eine expe-rimentell, systematisch bestätigte statistische Verteilung zugeordnet. In den meisten Fällen stimmte diese mit einer allgemeinen Empfehlung aus der Literatur überein. Mit Hilfe der für das R6-Verfahren benötigten Einflussgrößen wurden die Rissinitiierungsbiegemomente von 15 ausgewählten austenitischen Geradrohren mit Umfangsriss unter Innendruck und überlagerter äußerer Biegung deterministisch berechnet und mit den experimentell ermittelten Lasten verglichen, um so die Genauigkeit in Bezug auf die vorliegenden Geradrohre zu testen. Es ergaben sich teilweise merkliche Abweichungen. Bei einer großen Anzahl von Vorhersagen wird das Versuchsergebnis ungefähr so häufig über- wie unterschätzt. In guter Näherung ist die rechnerische Vorhersage des Initiierungsmomentes jedoch erwartungstreu. Es wurden Sensitivitätsanalysen unter Berücksichtigung der Streuung der jeweiligen Einflussgrößen durchgeführt, um die Auswirkung auf die Initiierungswahrscheinlichkeit darzustellen. Von den Werkstoffkennwerten hat die Streckgrenze vor dem KIJ-Wert und der Zugfestigkeit den größten Einfluss. Bei den geometrischen Einflussgrößen wirkt sich die Wanddicke sensitiver als der Durchmesser aus. Die Rissinitiierungswahrscheinlichkeit nimmt stark mit steigender Fehlerlänge und Fehlertiefe zu. Die Fehlertiefe ist sensitiver als die Fehlerlänge. Die zerstörungsfreie Prüfung wurde anhand von mehreren Ultraschallverfahren durchgeführt. Es wurden Fehlerdetektionsraten (POD-Kurven) mit Hilfe von Arbeitsproben erstellt. Die POD-Kurven wurden für die Bewertung einer Auswahl der 15 Geradrohre verwendet, um auf diese Weise Aussagen über die Leistungsfähigkeit der Verfahren zu machen. Eine allgemeine Empfehlung zur Auswahl und Beurteilung des für einen bestimmten Anwendungsfall optimalen ZfP-Verfahrens war im Rahmen der Arbeit nicht darstellbar, an einigen Anwendungsfällen konnten jedoch wichtige Teilaspekte diskutiert werden. Ergänzend dazu wurden im Rahmen dieser Arbeit Korrelationen zwischen verschiedenen bruchmechanischen Kennwerten untereinander sowie zwischen Kennwerten der Bruchmechanik, des Zug- und des Kerbschlagbiegeversuchs ermittelt. Die in der Regel aufwändig zu ermittelnden bruchmechanischen Werkstoffkennwerte sollten durch einfacher zu bestimmende Kennwerte aus dem Zugversuch bzw. dem Kerbschlagbiegeversuch abgeschätzt werden. Es konnte über eine detaillierte Auswertung umfangreicher Versuchsserien gezeigt werden, in welcher Weise die Ji-Werte mit den JIc-Werten korrelieren. Für niedriglegierte Stähle war es möglich, eine sehr gute Vorhersage der Ji- sowie der JIc-Werte aus der Kerbschlagarbeit und der lokalen Bruchdehnung zu erhalten.Item Open Access Optimierte Auslegung von Flanschverbindungen mit GFK-Flanschen unterschiedlicher konstruktiver Gestaltung unter Berücksichtigung des spezifischen Werkstoffverhaltens(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2018) Moritz, Stephanie; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)Gestiegene Anforderungen (höhere Temperaturen, aggressive Medien) an Flanschverbindungen aus glasfaserverstärken Kunststoffen (GFK) haben dazu geführt, die Materialeigenschaften dieser Verbindungen näher zu untersuchen um das mechanische Verhalten im Betrieb besser beschreiben zu können. Das Ziel dieser Arbeit war daher die Erarbeitung einer verbesserten Auslegung, die an den Werkstoff GFK angepasst ist. Mithilfe von experimentellen und numerischen Untersuchungen an Flanschverbindungselementen aus GFK konnte ein optimierter Festigkeits- und Dichtheitsnachweis erbracht werden. Die vorgeschlagenen Ansätze lassen sich einfach in bestehende Normen integrieren und können dazu beitragen diese Verbindungen für den Betrieb sicher auszulegen.Item Open Access Konzepte zur Übertragbarkeit von Prozessparametern des Rührreibschweißens(2016) Noveva, Radostina; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Der Einsatz von Aluminiumlegierungen hat sich als eine Schlüsselkomponente in zahlreichen Leichtbaukonzepten etabliert. Ein wichtiger Aspekt bei der industriellen Anwendung von Aluminiumwerkstoffen ist mit ihrer Schweißeignung verbunden. Das Rührreibschweißverfahren bietet eine einfache, umweltfreundliche und wirtschaftliche Methode zum Fügen von solchen Materialien. Die Integration dieses Verfahrens in den Fertigungsprozessketten kleiner und mittelständischer Unternehmen ist jedoch mit einer Reihe von Herausforderungen verbunden. Dazu gehören beispielsweise die unzureichenden Informationen über die Randbedingungen des Schweißprozesses sowie die begrenzte Übertragbarkeit von Prozessparametern auf unterschiedliche Anwendungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Schweißparameterstudien an drei Aluminiumlegierungen (EN AW-5454-O, EN AW-5754-O und EN AW-6016) durchgeführt. In einer Reihe von Experimenten, realisiert an einer Rührreibschweißanlage und zwei Werkzeugmaschinen, konnten die verbindungsspezifischen Prozessfelder für die jeweilige Werkstoff-Blechdicken-Konfiguration ermittelt werden. Die Prozessfelder umfassen unterschiedliche Kombinationen der Hauptschweißparameter Drehzahl, Vorschubgeschwindigkeit des Schweißwerkzeugs sowie Anpresskraft Fz auf den zu schweißenden Halbzeugen. Die Eignung der Parametersätze für die gestellte schweißtechnische Aufgabe wurde anhand des Vergleichs der mechanischen und der mikrostrukturellen Eigenschaften der hergestellten Verbindungen beurteilt. Für jeden Versuchswerkstoff wurden gezielt zwei Gruppen von Parametersätzen gewählt. Mit der ersten Gruppe konnte keine direkte Übertragbarkeit der guten Festigkeits- und Verformungseigenschaften der Verbindungen auf die unterschiedlichen Anlagen gewährleistet werden. In der zweiten Gruppe wurden Parametersätze betrachtet, mit denen, unabhängig von den verwendeten Schweißanlagen, eine wiederholbar gute Qualität der Verbindungen erzielt werden konnte. Die Wiederholung und die weiterführende thermographische Analyse solcher Parametersätze haben aufgezeigt, dass die Abweichungen in der Qualität der Schweißverbindungen bei einer relativ geringen Wärmeeinbringung in der Fügezone auftreten d.h., dass die unterschiedlichen Steifigkeiten der Versuchsanlagen nur bei ungünstigen Randbedingungen der Prozessführung eine messbare Reduktion der Qualität der Verbindungen verursachen. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass der Einfluss der Anlagensteifigkeit und der Positioniergenauigkeit beim Fügen von dünnen Halbzeugen und von Werkstoffen mit hoher Festigkeit zunimmt. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden als Grundlage für die Entwicklung eines analytischen Modells verwendet. Letzteres beschreibt die Zusammenhänge zwischen den, beim Rührreibschweißprozess auftretenden Anpresskräften und dem Schweißsystem, das aus den zu fügenden Halbzeugen und der entsprechenden Schweißvorrichtung (Rührreibschweißanlage und/oder Werkzeugmaschine) besteht. Die Konzeption dieses Modells ermöglicht eine praxisnahe und einfache Ermittlung von Prozesskräften für unterschiedliche Anwendungsfälle, unter Berücksichtigung der Maschinensteifigkeit, der Abmessungen der Schweißwerkzeuge sowie der temperaturabhängigen Materialeigenschaften der Halbzeuge. Die Verknüpfung der o. g. Einflussgrößen erlaubt die deutliche Verbesserung bestehender Ansätze zur Übertragbarkeit von Rührreibschweißparametern.Item Open Access Assessing fatigue life cycles of material X10CrMoVNb9-1 through a combination of experimental and finite element analysis(2023) Rahim, Mohammad Ridzwan Bin Abd; Schmauder, Siegfried; Manurung, Yupiter H. P.; Binkele, Peter; Dusza, Ján; Csanádi, Tamás; Ahmad, Meor Iqram Meor; Mat, Muhd Faiz; Dogahe, Kiarash JamaliThis paper uses a two-scale material modeling approach to investigate fatigue crack initiation and propagation of the material X10CrMoVNb9-1 (P91) under cyclic loading at room temperature. The Voronoi tessellation method was implemented to generate an artificial microstructure model at the microstructure level, and then, the finite element (FE) method was applied to identify different stress distributions. The stress distributions for multiple artificial microstructures was analyzed by using the physically based Tanaka-Mura model to estimate the number of cycles for crack initiation. Considering the prediction of macro-scale and long-term crack formation, the Paris law was utilized in this research. Experimental work on fatigue life with this material was performed, and good agreement was found with the results obtained in FE modeling. The number of cycles for fatigue crack propagation attains up to a maximum of 40% of the final fatigue lifetime with a typical value of 15% in many cases. This physically based two-scale technique significantly advances fatigue research, particularly in power plants, and paves the way for rapid and low-cost virtual material analysis and fatigue resistance analysis in the context of environmental fatigue applications.Item Open Access Feasibility study on additive manufacturing of ferritic steels to meet mechanical properties of safety relevant forged parts(2022) Mally, Linda; Werz, Martin; Weihe, StefanAdditive manufacturing processes such as selective laser melting are rapidly gaining a foothold in safety-relevant areas of application such as powerplants or nuclear facilities. Special requirements apply to these applications. A certain material behavior must be guaranteed and the material must be approved for these applications. One of the biggest challenges here is the transfer of these already approved materials from conventional manufacturing processes to additive manufacturing. Ferritic steels that have been processed conventionally by forging, welding, casting, and bending are widely used in safety-relevant applications such as reactor pressure vessels, steam generators, valves, and piping. However, the use of ferritic steels for AM has been relatively little explored. In search of new materials for the SLM process, it is assumed that materials with good weldability are also additively processible. Therefore, the processability with SLM, the process behavior, and the achievable material properties of the weldable ferritic material 22NiMoCr3-7, which is currently used in nuclear facilities, are investigated. The material properties achieved in the SLM are compared with the conventionally forged material as it is used in state-of-the-art pressure water reactors. This study shows that the ferritic-bainitic steel 22NiMoCr3-7 is suitable for processing with SLM. Suitable process parameters were found with which density values > 99% were achieved. For the comparison of the two materials in this study, the microstructure, hardness values, and tensile strength were compared. By means of a specially adapted heat treatment method, the material properties of the printed material could be approximated to those of the original block material. In particular, the cooling medium/cooling method was adapted and the cooling rate reduced. The targeted ferritic-bainitic microstructure was achieved by this heat treatment. The main difference found between the two materials relates to the grain sizes present. For the forged material, the grain size distribution varies between very fine and slightly coarse grains. The grain size distribution in the printed material is more uniform and the grains are smaller overall. In general, it was difficult and only minimal possible to induce grain growth. As a result, the hardness values of the printed material are also slightly higher. The tensile strength could be approximated to that of the reference material up to 60 MPa. The approximation of the mechanical-technological properties is therefore deemed to be adequate.Item Open Access Lebensdauervorhersage von Mischschweißverbindungen für Hochtemperaturbeanspruchung(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2020) Schleyer, Johannes Martin; Seidenfuß, Michael (apl. Prof. Dr.-Ing.)Die Nutzung erneuerbarer Energien soll langfristig die Energieerzeugung durch konventionelle, fossil befeuerte Kraftwerke ablösen. Bis zur vollständigen Realisierung dieses Ziels muss eine ausreichende Anzahl konventioneller Kraftwerke verbleiben, um Fluktuationen in Stromerzeugung und -abruf auszugleichen. Folglich wird auch für diese Kraftwerke weiterhin die Steigerung des Wirkungsgrades angestrebt, was Ausgangspunkt einiger nationaler und internationaler Forschungsinitiativen ist. In Dampfkraftwerken wird der höhere Wirkungsgrad durch eine Anhebung von Dampftemperatur und -druck bis 700 °C und 350 bar ermöglicht, was jedoch zugleich die Beanspruchung der Werkstoffe immens erhöht. Nach derzeitigem Forschungsstand kann diese nur von Nickelbasiswerkstoffen über ausreichend lange Zeiträume ertragen werden. Zugleich ist der Einsatz solcher Werkstoffe in Kraftwerkskomponenten technologisch herausfordernd und aufgrund der kostenintensiven Legierungselemente aus ökonomischer Sicht zu beschränken. Folglich sollen in den Bereichen niedrigerer Temperaturen weiterhin geeignete (u.a. 9-12%Cr-)Stähle verwendet werden, was zwangsläufig zu Mischverbindungen zwischen Nickelbasiswerkstoffen und Stählen führt. Bei der Zeitstandbeanspruchung solcher Mischverbindungen mit modernen 9-12%Cr-Stählen zeigt sich wiederkehrend ein sehr verformungsarmer Bruch entlang der Fusionslinie zum Stahl. Durch die geringe Verformung bis zum Bruch und die stark lokalisierte Porenschädigung lässt sich eine derartige Mischverbindung nur schwer überwachen und es liegt gegenwärtig kein „Leck-vor-Bruch“-Konzept vor. Insofern stellt der Fusionslinienbruch ein hohes, schwer kalkulierbares Risiko dar. Zugleich lassen sich Zeitstandversuche verschiedener Werkstoffkombinationen nicht immer zu einem gemeinsamen Erklärungsansatz harmonisieren. Dies gilt insbesondere mit Blick auf den Zusammenhang zwischen Spannung und der Wahrscheinlichkeit des Auftretens dieser Fusionslinienbrüche. Aktuelle Veröffentlichungen machen darüber hinaus deutlich, dass der umfassend erforschte Schädigungsmechanismus für solche Schweißverbindungen zwischen Nickellegierungen und 2,25%Cr-Stählen nicht unbedingt auf die Verbindungen mit 9-12%Cr-Stählen übertragbar ist. Darüber hinaus ist es bisher nicht möglich, das Auftreten der Fusionslinienbrüche befriedigend mittels Finite-Elemente-Methode zu beschreiben. Verfügbare Ansätze für artgleiche Verbindungen können Mischbrüche (Bruch zum Teil entlang der Fusionslinie und zum Teil in der Wärmeeinflusszone) allenfalls ansatzweise darstellen. Bereits für artgleiche Schweißverbindungen ist zudem keine quantitative Aussage über Bruchlage und -zeitpunkt möglich. In der vorliegenden Arbeit wird daher eine Schweißverbindung der Gusswerkstoffe Alloy 625 und GX12CrMoVNbN9-1 untersucht. Neben der Charakterisierung des Zeitstandverhaltens erfolgt eine umfangreiche Untersuchung der Bruchflächen. Entsprechend noch offener Fragestellungen der bisherigen Literatur, betrachten die Untersuchungen dabei insbesondere die Mikrostruktur nahe der Fusionslinie (Fusionslinienarten, Karbide, Grenzschichtband). Die Ergebnisse werden im Kontext der Literatur und weiterer Untersuchungen an weiteren Nickelbasiswerkstoff-Stahl-Verbindungen, die an der Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart durchgeführt wurden, diskutiert. Eine hierfür erarbeitete Kategorisierung der auftretenden Bruchaussehen ermöglicht dabei zunächst eine einheitliche Bezeichnung der unterschiedlichen Bruchaussehen. Im weiteren Verlauf werden Einflussfaktoren herausgearbeitet und einige Literatur-Schlussfolgerungen erneut bewertet. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wird ein dehnungsbasiertes Versagenskriterium zur numerischen Bewertung von Schweißverbindungen unter Kriechbeanspruchung, mit besonderem Augenmerk auf Fusionslinienbrüche, vorgestellt. Das Versagenskriterium beruht auf der abhängig vom Zustand der Spannungsmehrachsigkeit berechneten Verformungsfähigkeit des Werkstoffs (Grenzdehnung) und deren Erreichen im beanspruchten Querschnitt. Es wird in seiner Eignung schrittweise erprobt, zunächst an Grundwerkstoffversuchen (einachsig und mehrachsig beansprucht), dann an artgleichen Schweißverbindungen (Zeitstandproben und Druckbehälter) und schließlich an Mischverbindungen (Stahl-Stahl, Nickelbasis-Stahl). Ergänzend wird der Einfluss einer kriechschwachen Zone an der Fusionslinie sowie der Einfluss der Festigkeit des Schweißguts auf den Fusionslinienbruch numerisch untersucht. Für eine geeignete Modellierung des Kriechverhaltens von Schweißverbindungen mittels Kriechgesetz, müssen auch für die Wärmeeinflusszonen die Materialparameter identifiziert werden. Da von diesen Zonen das Verformungsverhalten selten bekannt ist, wird auf Basis einer Datensammlung ein Ansatz zur Abschätzung des Werkstoffverhaltens über die Grundwerkstoff-Eigenschaften vorgestellt. Die vorliegende Arbeit dient damit zur Erweiterung des Kenntnisstands zum Versagensverhalten von artfremden Nickelbasiswerkstoff-Stahl-Schweißverbindungen unter Kriechbeanspruchung, auch von Gusswerkstoffen. Sie führt offene Fragestellungen fort und liefert Ansätze, bisher widersprüchliche Ergebnisse zu harmonisieren. Zudem wird ein Modellierungsvorgehen für das Kriechverhalten der Wärmeeinflusszone in Schweißverbindungen sowie ein Versagenskriterium vorgestellt, welches sich für Versuche an Grundwerkstoffen und artgleichen sowie artfremden Schweißverbindungen eignet.Item Open Access Increasing low-temperature toughness of 09Mn2Si steel through lamellar structuring by helical rolling(2021) Panin, Sergey; Vlasov, Ilya; Moiseenko, Dmitry; Maksimov, Pavel; Maruschak, Pavlo; Yakovlev, Alexander; Gomorova, Julia; Mishin, Ivan; Schmauder, SiegfriedThe aim of the paper was to investigate the helical rolling parameters (a number of passes) for the microstructural modification and the low-temperature impact toughness improvement of the 09Mn2Si High Strength Low-Alloyed (HSLA) steel. In order to achieve this purpose, work spent to crack initiation and propagation was analyzed and compared with patterns of fracture surfaces. The microstructure and impact toughness values were presented in the temperature range from +20 to -70°C. Also, the fracture mechanisms in individual regions on the fracture surfaces were discussed. In addition, a methodology for computer simulation of the process was developed and implemented within the framework of the excitable cellular automata method and its integration with the kinetic theory of fracture. Finally, a theoretical analysis of the effect of grain shapes and orientations on the strain response patterns of a certain meso-volume simulating the material after the helical rolling was carried out.Item Open Access Entwicklung eines schwingbruchmechanischen Auslegungskonzeptes für innendruckbeanspruchte Bauteile mit ausgeprägten Druckeigenspannungsfeldern(2007) Lechmann, Marcus; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Die Anforderungen an moderne Dieselmotoren mit Direkteinspritzung wie Fahrkomfort, Wirtschaftlichkeit und Abgasgesetzgebung steigen stetig. Eine Möglichkeit diesen Anforderungen gerecht zu werden ist die immer weitere Erhöhung der Einspritzdrücke. Dabei müssen jedoch die sicherheitsrelevanten Komponenten des Einspritzsystems, wie z.B. der Kraftstoffverteiler (Rail) des Common-Rail-Systems, die hohen Drücke zuverlässig ertragen. Eine Möglichkeit hohe Drücke mit einer maximalen Nutzung des Schwingfestigkeitspotenzials von Werkstoffen bei gegebener Bauteilgeometrie darzustellen bieten hierbei Druckeigenspannungen. Ein geeignetes Fertigungsverfahren, um ein möglichst günstiges Druckeigenspannungsfeld an versagensrelevanten Stellen innendruckbeanspruchter Bauteile zu erzeugen, ist die Autofrettage. Um dieses Potenzial für sicherheitsrelevante innendruckbeanspruchte Bauteile zuverlässig nutzen zu können, wurde in dieser Arbeit ein schwingbruchmechanisches Auslegungskonzept nach dem Versagenskriterium Rissstopp entwickelt. Hierbei wurde insbesondere die Charakterisierung der Eigenspannungen nach der Fertigung, der Eigenspannungsabbau infolge der Innendruckbelastung sowie die lokale Bewertung der Rissfront und deren Interaktion mit dem Eigenspannungsfeld betrachtet. Die hierfür benötigten experimentellen und numerischen Untersuchungen wurden an einem geschmiedeten Railabschnitt aus dem AFP-Stahl 38MnVS6 mit einer Bohrungsverschneidung durchgeführt. Da innendruckbeanspruchte Bauteile der Einspritzsysteme in der Regel einen komplexen Beanspruchungs- und Werkstoffzustand aufweisen, ist der Einsatz numerischer Methoden für die Bewertung der gesamten Prozesskette von der Eigenspannungseinbringung bis hin zur Bewertung des Rissstopps unabdingbar. Aus diesem Grund wurden für den Stahl 38MnVS6 statische, zyklische und bruchmechanische Werkstoffkennwerte ermittelt. Diese wurden für unterschiedliche Wärmebehandlungen, Chargen und Schmiedezustände bestimmt, um den Einfluss von Gefügestreuungen im Großserienprozess auf die Schwingfestigkeit autofrettierter Bauteile zu untersuchen. Das durch die Autofrettage induzierte komplex ausgeprägte Druckeigenspannungsfeld kann nur mit FE-Analysen in seiner Gesamtheit erfasst werden. Für dessen realitätsnahe Abbildung wurde ein erweitertes Werkstoffmodell eingesetzt, welches die Verfestigung und das Rückfließverhalten des AFP-Stahls während der Autofrettage beschreiben kann. Experimentelle Eigenspannungsmessungen mit Hilfe der Zerlegemethode, basierend auf Dehnungsmessungen, und hybriden Messverfahren, bestehend aus Röntgentechnik und Eigenspannungsumlagerungssimulation, zeigten eine sehr gute Übereinstimmung mit den numerisch bestimmten Eigenspannungen. Eigenspannungsmessungen an Bauteilen, die in Abhängigkeit vom Innendruck und der Schwingspielzahl im Bereich der Dauerfestigkeit belastet wurden, zeigten, dass im Betrieb die Eigenspannungen bis zum Anriss stabil bleiben. Das Schwingfestigkeitspotenzial von Druckeigenspannungen wurde experimentell mit Innendruckwöhlerversuchen an Railabschnitten ermittelt. Damit konnte gezeigt werden, dass autofrettierte Railabschnitte mit ausgeprägten Druckeigenspannungsfeldern gegenüber einem eigenspannungsarmen Zustand eine um 62% höhere Schwingfestigkeit aufweisen. An Durchläufern von Railabschnitten mit ausgeprägten Druckeigenspannungsfeldern konnten muschelförmige Risse festgestellt werden. Demnach ist dieses hohe Potenzial auf einen Wechsel des Versagenskriteriums von Anriss auf Rissstopp zurück zu führen. Für die bruchmechanische Bewertung der muschelförmigen Risse ist eine numerische Abbildung des im Druckeigenspannungsfeld entstandenen Rissfrontenverlaufs und der dadurch bedingten Eigenspannungsumlagerung maßgebend. Aus diesen Gründen wurde ein dreidimensionales Modell für die FE-Analyse herangezogen. Da die Richtung der 1. Hauptspannung in der imaginären Rissebene konstant ist, wurde ein bruchmechanisches Rissfortschrittsprogramm, basierend auf der so genannten Rissblocktechnik angewandt, welches die Simulation von ebenen Rissen in dreidimensionalen Strukturen ermöglicht. Die dreidimensionale Struktur des Modells erfasst implizit die Eigenspannungsumlagerung durch den initiierten und fortschreitenden Riss. Ein Vergleich mit experimentellen Rissfortschrittsuntersuchungen zeigte, dass damit die Ausbildung der Rissfront im ausgeprägten Druckeigenspannungsfeld sehr gut abgebildet werden kann. Die Rissstopp-Dauerschwingfestigkeit am Railabschnitt aus dem Werkstoff 38MnVS6 konnte mit einer Vorhersagegenauigkeit kleiner 10% und konservativ numerisch bestimmt werden. Damit steht ein geschlossenes Konzept zur Verfügung, dickwandige innendruckbeanspruchte Bauteile aus ferritisch-perlitischen Werkstoffen mit ausgeprägten Druckeigenspannungsfeldern nach dem Versagenskriterium Rissstopp zuverlässig auszulegen.