In-situ Untersuchungen während des Schweißens mit LTT-Zusatzwerkstoffen
Final Report Abstract
Gegenstand des hier bearbeiteten Forschungsprojektes war die Entwicklung neuartiger Schweißzusatzwerkstoffe (LTT Low Transformation Temperature), die sich durch deutlich abgesenkte Ms/Mf-Temperaturen aufgrund austenitstabilisierender Legierungszusätze wie z. B. Nickel auszeichnen und somit grundsätzlich erlauben, Schweißeigenspannungen gezielt durch eine entsprechende Gefügeumwandlung im Schweißgut einzustellen. Neben experimentellen Untersuchungen zur Schweißeignung, zum Umwandlungsverhalten und zur Eigenspannungsausbildung wurde die numerische Simulation ergänzend zur Beschreibung der im Experiment beobachteten Phänomene genutzt. Basierend auf Literaturauswertungen konnte eine Matrix von LTT-Legierungen verwirklicht werden, welche hinsichtlich des Gefüges, der mechanischen Eigenschaften und des Umwandlungsverhaltens charakterisiert wurden. Zudem erfolgten für ausgewählte Legierungen umfangreiche Analysen der lokalen Phasenanteile und der Eigenspannungen in Schweißverbindungen mittels Beugungsmethoden im Labor als auch unter Verwendung von Synchrotron- und Neutronenstrahlung an Großforschungseinrichtungen. Weiterhin konnten erstmals in-situ Beugungsexperimente während des Schweißens unter Anwendung energie- und winkeldispersiver Methoden an frei schrumpfenden Proben realisiert werden. Die Neukonzeption und Verwirklichung einer Schweißvorrichtung speziell für den Einsatz an Synchrotronstrahllinien ermöglichte einzigartige in-situ Analysen der Umwandlungsvorgänge während des Schweißens mit LTT-Legierungen. Im Zuge dieser Experimente, welche erfolgreich an drei verschiedenen Großforschungseinrichtungen verwirklicht wurden, konnten die Umwandlungstemperaturen sowie die Umwandlungskinetik von drei ausgewählten LTT-Legierungen bestimmt werden. Über die im Antrag formulierten Ziele hinaus konnte die Ausbildung von Eigenspannungen in-situ während des Schweißens für eine vereinfachte Schweißnahtgeometrie analysiert werden. Die Eigenschaften der LTT-Legierungen werden in hohem Maße von der chemischen Zusammensetzung bestimmt. Die untersuchten Werkstoffe weisen graduelle Gefügemerkmale auf, die mit dem Legierungsgehalt korrelieren. Höhere Cr- und Ni-Gehalte führen demnach zu einer zunehmenden Ausprägung eines interzellularen Seigerungsnetzwerkes, welches vornehmlich austenitisch ist. Die Zellkerne sind dagegen martensitisch. Weiterhin führt eine Erhöhung der Legierungsgehalte zu einer Abnahme der Streckgrenze, während die Zugfestigkeit weitgehend unbeeinflusst bleibt. Ein erhöhter Ni- Gehalt führt ebenso zu höheren Kerbschlagarbeiten. Die Ursachen sind auf die zunehmende Präsenz von Restaustenit zurückzuführen. Auch die Ms-Temperatur wird in beträchtlichem Maße von der chemischen Zusammensetzung beeinflusst. Dabei führt in den betrachteten Legierungen die Zunahme von Nickel stets zu einer Stabilisierung des Austenits. Die im Beugungsexperiment untersuchten Legierungen sind bei Raumtemperatur durch die Anwesenheit von Restaustenit gekennzeichnet, der abhängig vom Ni-Gehalt zwischen etwa 5% und 50% variieren kann. Die Auswirkungen des Umwandlungsverhaltens wurden anhand der Eigenspannungen, die in Oberflächennähe und im Volumen der Schweißnaht für unterschiedliche Probengeometrien (Variation der Probendicke) bestimmt wurden, analysiert. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die mittels der LTT-Legierungen angestrebte Beeinflussung der Eigenspannungsausbildung mit dem Ziel der Erzeugung von Druckeigenspannungen im Bereich der Schweißnaht während des Schweißens realisierbar ist. Die induzierten Schweißeigenspannungen sind eindeutig auf die bei niedrigeren Temperaturen stattfindende martensitische Phasenumwandlung und der damit verbundenen Volumenzunahme zurückzuführen. Die Ergebnisse der Eigenspannungsanalysen frei schrumpfender Proben zeigen, dass das Niveau der erreichbaren (Druck-)Eigenspannungen vornehmlich durch die Martensitphase bestimmt wird. Weitgehend unabhängig von der chemischen Zusammensetzung und der Ms-Temperatur liegt dort ein relativ hohes Druckeigenspannungsniveau vor. Die sich letztlich einstellenden Makroeigenspannungen werden durch das relativ geringe Eigenspannungsniveau in der Austenitphase limitiert. Wie hoch das Makroeigenspannungsniveau letztlich ist, wird eindeutig vom Restaustenitgehalt bestimmt. Insgesamt wurde der Nachweis erbracht, dass das Konzept der LTT-Legierungen zielführend ist und die nachgewiesene Austenit-Martensitumwandlung einen signifikanten Effekt auf das Eigenspannungsniveau ausübt. Damit werden die in [7] formulierten Modelle zur Wirkung von Umwandlungsspannungen, wobei stets von vollständiger Umwandlung ausgegangen wird, um die nun vorliegenden Erkenntnisse im Fall nur anteilig umwandelnden Volumens erweitert.
Publications
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Kannengiesser, Th.; Kromm, A.; Rethmeier, M.; Gibmeier, J.; Genzel, Ch.
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In-situ Analyse der Phasenumwandlungskinetik während des Schweißens. MP Materials Testing, vol. 52, no. 4, 2010, S.1-7
Kannengießer, Th.; Kromm, A.; Gibmeier, J.; Rethmeier, M.
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In-situ Observation of Phase Transformations during Welding of Low Transformation Temperature Filler Material. Materials Science Forum Vols. 638-642, 2010, S. 3769-3774
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Residual Stresses in Multilayer Welds with Different Martensitic Transformation Temperatures Analyzed by High-Energy Synchrotron Diffraction. Materials Science Forum, Vol. 681, 2011, S. 37-42
Kromm, A.; Kannengiesser, Th.; Altenkirch, J.; Gibmeier, J.
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Time and Temperature Resolved Synchrotron X-Ray Diffraction – Observation of Phase Transformation in Novel Low Temperature Transformation Weld Filler Materials. Journal of Strain Analysis, Vol. 46, no. 7, 2011, S. 563-579
Altenkirch, J.; Gibmeier, J.; Kostov, V.; Wanner, A.; Kromm, A.; Kannengiesser, T. and Doyle, S.
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Welding Residual Stresses Depending on Solid-State Transformation Behaviour Studied by Numerical and Experimental Methods. Materials Science Forum, Vol. 681, 2011, S. 85-90
Heinze, C.; Kromm, A.; Schwenk, C.; Kannengiesser, Th.; Rethmeier, M.
