Numerical simulation and experimental investigation of the fracture behaviour of an electron beam welded steel joint

Abstract

Welding techniques are widely applied in many industry fields. As the damage behavior of the weldment influences the service life of the component, strong attention is drawn to the weldment. This thesis focuses on the fracture behavior of an S355 electron beam welded joint. Three different models are adopted to describe the damage behavior of the welded joints, namely the Rousselier model, the Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) model and the Cohesive zone model (CZM). Although differences exist between these models, they successfully describe the damage behavior of the weldment and are able to predict the crack propagation of C(T)-specimens obtained from S355 electron beam welded joints. Simulation results are shown in the form of force vs. crack opening displacement (COD) and fracture resistance JR-curves. The cohesive zone model is considered to be the best model for the investigation of the fracture behavior of S355 electron beam welded joints as it can simulate both ductile and brittle fracture. Compared to the GTN model, the Rousselier model for ductile fracture simulations shows its superiority because of simplicity and reduced model parameters. In order to visualize the crack propagation at the surface of the material, C(T)-specimens extracted from the S355 base material are tensile tested together with the ARAMIS system monitoring the material deformation and crack growth behavior in the notched area. Images in the notched region and the equivalent strain distribution calculated from the ARAMIS system are shown. 2D and 3D GTN models are used to investigate the fracture behavior of a C(T)-specimen under tensile test process monitored with the ARAMIS system. To understand the damage mechanisms of the S355 base material and to show the real crack propagation within the material during the deformation process, Synchrotron radiation- computed laminography (SRCL) is performed on a thin sheet specimen from S355 base material for the first time. Reconstructed 2D laminography images from the middle section and from the section where the main crack is observed in the sheet specimen are shown in this work. Additionally, 2D cross-sections at the through thickness plane at two positions located ahead of the initial notch are shown. A shear band is observed between two neighbouring cracks before crack advancement at CMOD=1.25 mm. 3D reconstruction of the laminography scanning data confirms the damage evolution through void initiation, growth and coalescence originating from non-metallic inclusions being the main reason for a flat fracture happening before the slant fracture. Shear fracture connecting two neighbouring flat cracks to form the main crack is observed in 3D laminography images. The 3D Rousselier model is adopted to predict the flat fracture of the thin sheet specimen. The material in front of the initial notch is divided into many partitions of which the true f_0-values are obtained. According to the positions of the partitions, the Rousselier elements in front of the initial notch are divided into many sets where the corresponding true f_0-values are used in the simulations. With the true f_0-values, the longest 2D cracks (T-L) in an analyzed specimen are located at a cross section which is around 200 µm apart from the middle section of the sheet specimen which coincides with the laminographic image. The Rousselier model is able to predict the fracture surface of the sheet specimen before the occurrence of the shear fracture.

Schweißtechniken werden in der Industrie in vielen Anwedungen eingesetzt. Da die Schweißverbindung die Lebensdauer eines Bauteils wesentlich beeinflusst, ist das Schädingungsverhalten der Schweißverbindung von besonderem Interesse. Diese Arbeit befasst sich mit dem Bruchverhalten einer S355- Elektronenstrahlschweißverbindung. Das Schädigungsverhalten der Schweißverbindungen wird mit drei verschiedenen Modellen, dem Rousselier-Modell, dem Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN)-Modell und dem Kohäsivzonenmodell (CZM) beschrieben. Obwohl Unterschiede in diesen Modellen bestehen, können sie das Schädigungsverhalten der Schweißverbindung sehr gut beschreiben und können die Rissausbreitung in C(T)-Proben von S355-Elektronenstrahlschweißverbindungen vor-aussagen. Die Simulationsergebnisse werden in Form von Diagrammen dargestellt, die die Kraft über der Rissöffnung (COD) sowie die Bruchwiderstandskurven JR-zeigen. Das Kohäsivzonenmodell zeigte sich als das am besten geeignete Modell zur Untersuchung des Bruchverhaltens von S355 Elektronenstrahl Schweißverbindungen, da es die Modellierung von duktilem und sprödem Bruchverhalten ermöglicht. Im Vergleich zum GTN-Modell zeigt das Rousselier-Modell bei Simulationen des duktilen Bruchverhaltens seine Stärken, da es vereinfachte und reduzierte Modellparameter besitzt. Um die Rissausbreitung an der Oberfläche des Materials zu untersuchen, wird ein Zugversuch mit C(T)-Proben aus dem S355-Basismaterial mit dem ARAMIS-System durchgeführt, wobei die Materialdeformation und das Rissausbreitungsverhalten im Bereich der Kerbe betrachtet wird. Bilder der Kerbregion, sowie die äquivalente Dehnungsverteilung (berechnet mit dem ARAMIS-System), werden gezeigt. 2D und 3D GTN-Modelle werden verwendet, um das Bruchverhalten einer C(T) Probe in einem durch ARAMIS beobachteten Zugversuch zu beschreiben. Mit dem Ziel, die Schädigungsmechanismen des S355-Basismaterials zu verstehen und die Rissausbreitung innerhalb des Materials während der Materialverformung zu zeigen, wird erstmalig Synchrotron Radiation-Computed Laminography (SRCL) an einer Probe aus einer dünnen Folie des S355-Basismaterials durchgeführt. Rekonstruierte 2D Laminographiebilder der Folienprobe des Mittelteils sowie aus dem Bereich vor dem Hauptriss werden in dieser Arbeit vorgestellt. Zudem wurden 2D-Schnitte durch die Probe senkrecht zur Folienebene an zwei verschiedenen Stellen in Rissausbreitungsrichtung erstellt. Um CMOD=1.25 mm wird vor weiterem Rissfortschritt die Bildung eines Scherbandes zwischen zwei benachbarten Rissen beobachtet. Die 3D-Rekonstruktion des S355-Basismaterials aus Laminographie-Scandaten bestätigt die Schädigungsentwicklung im Werkstoff durch Hohlraumbildung, Hohlraumwachstum und Hohlraumkoaleszenz bedingt durch nichtmetallische Einschlüsse. Diese sind die Hauptursache für das Auftreten von Längsrissen vor Scherbruch. Der Scherbruch, welcher zwischen zwei benachbarten Längsrissen auftritt, und damit den Hauptriss bildet wird in 2D Laminographiebildern beobachtet. Das 3D Rousselier-Modell wird verwendet, um den Längsriss einer Probe vorherzusagen. Vor der Anfangskerbe wird der Werkstoff in verschiedene Partitionen unterteilt, in denen die wahren f0-Werte ermittelt werden. Die Rousselier Elemente vor der Anfangskerbe sind ebenso wie die Positionen der Partitionen unterteilt in viele Sets, in denen die korrespondierenden wahren f0-Werte für die Simulationen ermittelt werden. Mit den wahren f0-Werten zeigt sich der längste 2D Riss (T-L) in einer Schnittebene, die etwa 200 µm vom mittleren Bereich der flachen Probe entfernt ist. Dies stimmt mit den Laminographie-Aufnahmen überein. Das Rousselier-Modell kann die Bruchfläche der dünnen Probe vor Eintritt des Scherbruchs vorhersagen.