Untersuchung zur vorzeitigen interkristallinen Rissbildung im Schweißnahtbereich der Nickelbasislegierung A617mod
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projekts wurde die interkristalline Relaxationsrissbildung („Ductility Dip Cracking“) der geschweißten Nickelbasislegierung A617mod mit unterbrochenen Zugversuchen bei 700°C erfolgreich erzeugt und die Rissentstehung und -wachstum untersucht. Hierzu wurden Zugproben, die Grundwerkstoff, Schweißnaht und Wärmeeinflusszone beinhalten, aus Kraftwerksbauteilen erstellt. Einige Proben wurden wärmebehandelt, um so deren auf die interkristalline Relaxationsrissbildung zu untersuchen. Die Zugproben wurden mit Hilfe der EBSD-Untersuchung bezüglich ihrer Korngrenzen und Kornorientierung dokumentiert. Die so dokumentierten Proben wurden bei 700°C stufenweise belastet. Durch die Unterbrechung der Zugversuche und die REM-Bilder nach jedem Schritt des Zugversuches konnten die Dehnungsverteilungen in ausgewählten Bereichen des Zugprobenstegs mit Hilfe einer eigenentwickelten Software zur digitalen Bildkorrelation („Digital Image Correlation“) bestimmt werden. Die auf dieser Art erhaltenen Informationen bilden die Grundlage für die durchgeführten Auswertungen. So konnte gezeigt werden, dass nicht nur die Schweißnaht, sondern auch der Grundwerkstoff DDC aufweist. Jedoch traten die Risse häufiger und früher in der Schweißnaht auf. Als eine Einflussgröße auf DDC stellte sich die Kornorientierung zweier Körner zueinander heraus. Dieser kann durch das Koinzidenzgitter (Σ-Wert) ausgedrückt werden. Die schädigungsresistenteren Σ3-Korngrenzen, welche keine interkristalline Rissbildung aufwiesen, sind im Grundwerkstoff häufig, in der Schweißnaht jedoch sehr selten vorhanden. Eine mögliche Ursache hierfür kann eine Gefügeänderung durch die Erstarrung während des Schweißprozesses sein. Einen weiteren Einfluss für das Auftreten von DDC hat das Korngrenzengleiten. Mit Hilfe der Dehnungsfelder, die mittels digitaler Bildkorrelation bestimmt wurden, konnte dieses Korngrenzengleiten (etwa 45° zur Zugrichtung) nachgewiesen werden. Im weiteren Verlauf einer abgleitenden Korngrenze entstand DDC an Stellen mit einer Richtungsänderung der Korngrenze (Winkel von ca. 90° zur Zugrichtung). Weiterhin wurde durch die Dehnungsfelder gezeigt, dass nur die Korngrenzen belastet werden. Das Korninnere weist in den meisten Fällen keine nennenswerte Verformung auf. Ausnahme sind jedoch Körner mit einem Schmid-Faktor von etwa 0,5. Mit Hilfe der Dehnungsfelder konnte nachgewiesen werden, dass innerhalb der Körner mit hohem Schmid-Faktor (0,5) Verformungsbewegungen 45° zur Belastungsrichtung auftreten. Körner mit geringerem Schmid-Faktor weisen keine bzw. kaum Verformung im Korninneren auf. Zusammenfassend ist primär die Kornorientierung sowie das Korngrenzengleiten für das Auftreten von DDC verantwortlich. Die Relaxationsrissbildung betrifft sowohl Zugproben ohne als auch mit Wärmebehandlung (980°C/3h). Ein Einfluss der Wärmebehandlung konnte aber aus folgendem Grund nicht abschließend geklärt werden. Durch die unterbrochenen Zugversuche wurden die Proben mit undefinierter Abkühlung bis zu sechsmal wärmebehandelt. Durch eine Zugbelastung in situ im Rasterelektronenmikroskop würde dieser Einfluss verringert werden. Weiterhin würde durch die Versuchsdurchführung im Vakuum eine Oxidation verhindert werden, was die Auswertung mittels digitaler Bildkorrelation vereinfacht. Die Nanoindentations-Härtemessungen, welche den Einfluss der Duktilität auf die Rissbildung zeigen sollten, wurden bei Raumtemperatur durchgeführt. Um die Duktilität zum Zeitpunkt der Rissbildung zu beurteilen, sind Nanoindentations-Härtemessungen bei 700 °C notwendig, welche mit den vorhandenen Mitteln nicht möglich war. Die Zugproben wiesen nach der Wärmebehandlung eine flächendeckende Oxidschicht auf. Auch die Zugproben ohne Wärmebehandlung begannen nach dem dritten/vierten Verformungsschritt bei 700°C zunehmend zu oxidieren. Aufgrund der Oxidation wurde die Bestimmung der Dehnungsverteilungen mit der digitalen Bildkorrelation ab dem dritten/vierten Verformungsschritt erschwert. Bemerkenswert ist zudem das unterschiedliche Oxidationsverhalten der Nickelbasislegierung bei den beiden verwendeten Temperaturen von 700°C (Versuchstemperatur) und 980°C (Wärmebehandlungstemperatur). Anhand der Dehnungsfelder konnte die Annahme bestätigt werden, dass im Falle der interkristallinen Relaxationsrissbildung im Korninneren keine Verformung auftritt. Meist findet die Verformung nahezu ausschließlich an den Korngrenzen statt. Allerdings konnte anhand der Dehnungsfelder ebenfalls gezeigt werden, dass unter der Voraussetzung eines hohen Schmid-Faktors (0,5) auch innerhalb der Körner plastische Verformung auftritt. Dies wurde bisher im Zuge der interkristallinen Relaxationsrissbildung nicht betrachtet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Analyse der 2D-Dehnungsverteilung im Bereich von Korngrenzen bei der Nickelbasislegierung A617mod mittels digitaler Bildkorrelation. Werkstoffprüfung, Neu-Ulm, 01./02.12.2016
Eilers, A., Nellesen, J., Zielke, R. and Tillmann, W.
- Analyse der interkristallinen Rissbildung in der geschweißten Nickelbasislegierung A617mod. Werkstofftechnisches Kolloquium, Chemnitz, 16./17.03.2017
Eilers, A., Nellesen, J., Zielke, R. and Tillmann, W.
- Analysis of the ductility dip cracking in the nickelbase alloy 617mod. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2017
Eilers, A., Nellesen, J., Zielke, R. and Tillmann, W.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1757-899X/181/1/012020)
