Versagensverhalten rissbehafteter Mischschweißnähte - theoretische und experimentelle Untersuchungen

Abstract

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.

To increase the efficiency and profitability of chemical facilities and power plants, an appropriate material selection with respect to the dominant service conditions is indispensible. For instance, in plant construction the investigated dissimilar weld between ferritic and austenitic steel is a widely used combination to meet the required strength and corrosion resistance. As a result of the diverging mechanical, thermal and chemical properties a similar combination of the ferritic and austenitic steel is not possible. Therefore, Nickel based alloys are commonly used as weld material. This leads to a series of material sections with highly different mechanical and thermal properties which results in an inhomogeneous material and loading condition. In particular for cracks, this may lead to damage processes that are notably different from what is observed in homogenous materials or similar welds. Due to the lack of detailed knowledge about the real damage processes in pre-cracked dissimilar welds, state-of-the-art fracture mechanic procedures are applied for their safety assessment. These procedures are based on methods which were developed for homogenous materials or similar welds and thus lead to very conservative results for dissimilar welds. Therefore, the focus of this research is on the numerical description of the real damage processes using Rousselier’s damage model. For this purpose, comprehensive experimental investigations were performed to obtain a detailed characterization of the dissimilar weld. The experimental focus was on the clarification of the micromechanical processes during crack initiation and propagation with fracture mechanic and fractographic methods. With these investigations a dominant impact of the dendritic solidification on the failure behavior could be demonstrated. Particularly the fracture mechanical examinations show the least resistance against crack initiation and growth in the domain of the assembly weld. Based on the conducted experimental and fractographical examinations it can be demonstrated that, at any time, sections can be considered to be critical when the direction of crack growth and solidification coincide. Considering other dissimilar welds, the critical section can be located in other microstructural areas depending on the manufacturing. The damage mechanical parameters for the simulations based on Rousselier’s model were numerically determined by using the empirical results from notched and unnotched tensile tests. Using these parameters, the numerical model was demonstrated to show the load-deformation behavior, the initiation point as well as bigger amounts of stable crack growth – which were observed in fracture mechanical tests for the different regions of the dissimilar weld. With the performed damage mechanical simulations, a realistic assessment of the real damage processes during crack initiation and propagation is possible. Therefore, a reliable basis to evaluate the bearing capacity as well as the real damage evolution of pre-cracked dissimilar welds under complex loading conditions and various crack configurations was established.