6.1 Prüfung auf Heißrißanfälligkeit Die Verarbeitung schweißbarer Werkstoffe und die Qualitätssicherung geschweißter Bauteile erfordert auch eine Bewertung der Heißrißanfälligkeit. Heißrißanfällig sind Le- gierungen und insbesondere vollausteniti- sche Stähle, Sonderedelstähle und Nickelba- sislegierungen, aber auch Baustähle mit ho- hem Schwefel- und Phosphorgehalt. Die Temperaturbereiche, in denen die ver- schiedenen Arten von Rissen entstehen, sind in DIN EN ISO 6520 (DIN 8524-3) unter Be- zug auf einen an der Fusionslinie beim Schwei- ßen auftretenden Temperaturverlauf gekenn- zeichnet, Bild 3-38. Die Entstehung von Heißrissen (der Er- starrungs- und Wiederaufschmelzrissen) erfolgt bei Temperaturen von 1550 ∞C bis 1100 ∞ C und basiert hauptsächlich auf metall- urgischen Prozessen, Bild 3-38 und z. B. Bild 4-3. Für die Beurteilung der Heißrißanfällig- keit von Schweißverbindungen und Schweiß- gütern sind mehrere Prüfverfahren entwik- kelt worden, mit deren Hilfe Kenngrößen und Versagensbedingungen erhalten wer- den, die den Einfluß von – werkstoffbezogenen Faktoren, z. B. chemische Zusammensetzung von Grund- und Zusatzwerkstoff, Konzentra- tions unterschied (Seigerungen) im Schweiß- gut, Grundwerkstoff, und von – verfahrensbezogenen Faktoren, z. B. Schweißverfahren, Schweißparame- ter (Schweißbedingungen) mit großer Emp- findlichkeit und Reproduzierbarkeit, quantitativ erfassen sollen. Je nach der Art der Beanspruchung (selbst- beanspruchte bzw. fremdbeanspruchte Pro- be) während der Prüfung wird unterschieden zwischen Prüfungsverfahren mit: – Selbstbeanspruchung Rißentstehung in der Probe erfolgt wäh- rend des Schweißens bei der Abkühlung infolge behinderter Schrumpfung, – Fremdbeanspruchung Rißentstehung in der Probe wird durch äußere Belastung erzwungen. Die Heißrißprüfverfahren sind im DVS- Merk- blatt 1004 Teil 1-4 beschrieben. Im folgen- den wird ein Prüfverfahren aus der Gruppe der Verfahren mit Selbstbeanspruchung be- schrieben, die übrigen werden nur nament- lich erwähnt. Anhang 6 90 25 25 90 80 120 80 12 12 a) b) c) d) Bild 6-1 Proben für Heißrißprüfung mit Selbstbeanspruchung. a) Zylinderprobe, nach DIN 50129, b) Doppelkehlnahtprobe, nach DIN 50129, c) Ringnut-Probe, nach VdTÜV-Merkblatt 1153, d) Ring-Segment-Probe, nach VdTÜV-Merkblatt 1153.
34
Embed
6 Anhang - Springer978-3-540-35051-4/1.pdf · in DIN EN ISO 6520 (DIN 8524-3) unter Be-zug auf einen an der Fusionslinie beim Schwei-ßen auftretenden Temperaturverlauf gekenn-zeichnet,
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
6.1 Prüfung auf Heißrißanfälligkeit
Die Verarbeitung schweißbarer Werkstoffe und die Qualitätssicherung geschweißter Bauteile erfordert auch eine Bewertung der Heißrißanfälligkeit. Heißrißanfällig sind Le-gierungen und insbesondere vollausteniti-sche Stähle, Sonderedelstähle und Nickelba-sislegierungen, aber auch Baustähle mit ho-hem Schwefel- und Phosphorgehalt.
Die Temperaturbereiche, in denen die ver-schiedenen Arten von Rissen entstehen, sind in DIN EN ISO 6520 (DIN 8524-3) unter Be-zug auf einen an der Fusionslinie beim Schwei-ßen auftretenden Temperaturverlauf gekenn-zeichnet, Bild 3-38.
Die Entstehung von Heißrissen (der Er-star rungs- und Wiederauf schmelz ris sen) erfolgt bei Temperaturen von 1550 ∞C bis 1100 ∞C und basiert hauptsächlich auf metall-urgischen Prozessen, Bild 3-38 und z. B. Bild 4-3. Für die Beurteilung der Heißrißanfällig-keit von Schweißverbindungen und Schweiß-gütern sind mehrere Prüfverfahren ent wik-kelt worden, mit deren Hilfe Kenngrößen und Versagensbedingungen erhalten wer-den, die den Einfluß von
– werkstoffbezogenen Faktoren, z. B. chemische Zusammensetzung von
Grund- und Zusatzwerkstoff, Konzentra-tions unterschied (Seigerungen) im Schweiß-gut, Grundwerkstoff, und von
– verfahrensbezogenen Faktoren, z. B. Schweißverfahren, Schweißparame-
ter (Schweißbedingungen) mit großer Emp-findlichkeit und Reproduzierbarkeit,
quantitativ erfassen sollen.
Je nach der Art der Beanspruchung (selbst-beanspruchte bzw. fremdbeanspruchte Pro-be) während der Prüfung wird unterschieden zwischen Prüfungsverfahren mit:– Selbstbeanspruchung Rißentstehung in der Probe erfolgt wäh-
rend des Schweißens bei der Abkühlung in folge behinderter Schrumpfung,
– Fremdbeanspruchung Rißentstehung in der Probe wird durch
äußere Belastung erzwungen.
Die Heißrißprüfverfahren sind im DVS- Merk-blatt 1004 Teil 1-4 beschrieben. Im folgen-den wird ein Prüfverfahren aus der Gruppe der Verfahren mit Selbstbeanspruchung be-schrieben, die übrigen werden nur na ment-lich erwähnt.
Anhang6
90
25 25
9080
120
8012
12
a) b) c) d)
Bild 6-1Proben für Heißrißprüfung mit Selbst bean spruchung.a) Zylinderprobe, nach DIN 50129, b) Doppelkehlnahtprobe, nach DIN 50129, c) Ringnut-Probe, nach VdTÜV-Merkblatt 1153, d) Ring-Segment-Probe, nach VdTÜV-Merkblatt 1153.
568 Kapitel 6: Anhang
6.1.1 Verfahren mit Selbst-beanspruchung der Probe
Die Proben erhalten ihre Beanspruchung durch die Wärmedehnung und -schrump-fung infolge des Schweißens. Sie eignen sich nur zur Prüfung der Erstarrungsrißanfällig-keit des Schweißgutes von Lichtbogenhand-schweißungen. In Bild 6-1 sind verschie dene Proben der Vertreter der selbstbeanspruch-ten Prüfverfahren dargestellt.
Die Hakenrißzugprobe und die Längsbiege-probe, Bild 6-2, gehören ebenfalls zu den Pro-ben mit Selbstbeanspru chung. Die Proben-nahme erfolgt aus für Verfahrens- und Ar-beitsprüfungen hergestellten Schweißnäh-ten aus dem Schweißgut in Längsnahtrich-tung. Die Zug- oder Biegebelastung der Probe dient nur zur vi suellen Erkennung der durch das Schweißen ent standenen Schädigungen (Risse). Die Heißrisse haben meist die Form eines großen L, daher auch der Na me „Ha-kenriß“ bzw. Hakenrißprobe. Die Be wertung der Heiß rißan fäl ligkeit des Schweißgutes er-folgt anhand der Anzahl der ermittelten Wie-der auf schmelz risse. Maßzahl der Bewertung der Heißriß neigung ist die Anzahl der Risse bezogen auf die Brucheinschnü rung. Die Prü-fung be steht aus einem ohne hin im Rahmen der Qualitätsüberwachung durchgeführten Zug- oder Biegeversuch und dem anschlie-ßenden Aus zählen der Risse.
Die Ergebnisse eignen sich nicht für eine quan-titative Erfassung der Wiederaufschmelzris-sigkeit von Schweißgütern, weil die Einfluß- größen nicht eindeutig definiert sind.
6.1.2 Verfahren mit Fremd- beanspruchung der Probe
Im folgenden werden einige Prüfverfahren nur aufge zählt:– HZ-Versuch (Heißzugversuch = Gleeble-
ver such), nach Dahl. Ermittlung: Rißfaktor zur Beurteilung
der Wiederaufschmelzrißneigung; kriti-sche Zugfestigkeit und kritische Bruchein-schnürung bei charakteristischen Tem-pe raturen beim Erwärmen und Abküh-len.
– HDR-Versuch (Hot-Deformations Rate), nach Schmidtmann.
Ermittlung: kritische Verformungsge-schwindigkeit bzw. Zug-Biege-Verformung bei Entstehung der Erstarrungs ris se im Schweißgut.
– PVR-Versuch (Programmierter Verfor-mungs-Riß-Test), nach Folkhard.
Ermittlung der Heißrißanfälligkeit von Schweißgut, Anzahl der Risse auf 10 mm Länge, Schweißgut in Abhängigkeit von der örtlichen Dehngeschwindigkeit.
Als vielseitiges und modernes Prüfverfahren mit Fremdbeanspruchung hat sich der MVT-Test (Modifizierte Varestraint-Transvare-straint-Test) von Wilken durchgesetzt.Der MVT-Test hat zwei Varianten:– den Varestraint-Test, Bild 6-3a, bei dem
die Beanspruchung in Längsrichtung der Schweißnaht erfolgt, und den
– Transvarestraint-Test, bei dem die Bean-spruchung quer zur Schweißnaht erfolgt, Bild 6-3b.
Der Anwendungsbereich der MVT-Tests ist aus Tabelle 6-1 zu ersehen. Zu unterscheiden ist die Prüfung auf Erstarrungsrißanfällig-keit und Wiederaufschmelz-Rißanfälligkeit von heißrißgefährdeten Werkstoffen. Wie-deraufschmelzrisse können sowohl in der WEZ des Grundwerkstoffs als auch in den wärmebeeinflußten Schweißgutbereichen beim Mehrlagenschweißen auftreten. Erstar-rungsrisse entste hen im Schweißgut ober-halb oder unterhalb der Solidustemperatur TSo des Schweißgutes.
Bei Standardversuchen wird auf der Pro -
Bild 6-2Probennahme für Verfahrensprüfung und zum Nach-weis von Wiederaufschmelzrissen von Schweißgü-tern.
Abschn. 6.1: Prüfung auf Heißrißanfälligkeit 569
benoberseite in Probenmitte mit einem WIG-Brenner maschinell eine Anschmelzraupe gelegt. Beim Passieren des Lichtbogens der Probenmitte wird die Probe mittels Druck-stempel auf eine massive Matrize herunter-gedrückt. Die gewählte Werkzeugkombina-tion, Druckstempel/Matrize, bestimmt die Biegedehnung auf der Probenoberseite. Durch die Biegung werden in dem für die Heißriß-bildung kritischen werkstoffspezifischen Temperaturbereich Heißrisse erzeugt. Je nach Größe der Biegedehnung, von 0,25 % bis 5 %
in 10 Stufen einstellbar, entstehen mehr oder weniger Heißrisse. Die Biegege schwindig-keit, mit der die Probe auf die Matrize her-untergebogen wird, ist bei Standard-Versuchs-bedingungen hoch und konstant, sie beträgt 2 mm/s.
Sie ist in weiten Grenzen stufenlos von 0,05 bis 4 mm/s einstellbar, ebenso die Schweiß-geschwindigkeit und die übrigen Schweiß-parameter. Der Versuchsablauf ist vollauto-matisch. Versuchsdaten werden zeitsynchron registriert. Für eine Versuchsreihe wer den üblicherweise 5 Proben benötigt. Für einen Stichversuch kann jedoch auch eine einzige Probe ausreichend sein.
Die Probenform (Abmessungen) ist an den jeweiligen Anwendungsfall angepaßt, Bild 6-4. Als Standardproben haben sich die Proben mit der Abmessung 10 x 40 x 100 mm be-
Radius R
Probe
Dicke d
Ende der Schweißung
veränderlicheBiegegeschwindigkeit
Brennerstellung während der Biegung
Dicke d
a)
b)
Brennerstellungwährend der Biegung
Ende der Schweißung
veränderlicheBiegegeschwindigkeit Radius R
Bild 6-3Varianten des MVT-Tests.a) Varestraint-Test,b) Transvarestraint-Test.
Bild 6-4Abmessung der Standardproben zur Prüfung von a) Grundwerkstoff, b) Schweißgut und c) Zusatzwerk stoff.
10
4015
5
a) c)
10
10∞
b)
l 1
l n
0
0,5 1 2 3 4%
5
10
15
20
0
Ges
amtr
ißlä
nge
l ges
l 1
l ges = l 1 + l 2 ... + ln
Dehnung
l n
Bild 6-5Ergebnisse eines MVT-Tests, nach Wilken, BAM.
570 Kapitel 6: Anhang
währt, bei Bedarf kann die Probendicke bis auf 2,5 mm und die Probenlänge bis auf 80 mm verringert werden. Für Sonderfälle können auch andere Probenformen, z. B. mit Y-Naht-Vorbereitung, angewendet werden.
Versuchsauswertung, ErgebnisseZuerst werden in der Umgebung des Bie-gepunktes der Probe die an der Probenober-flä che entstandenen Heißrisse mit dem Ste- reo mikroskop bei 25facher Vergrößerung in ih rer Länge ausgemessen und addiert. Die so ermittelte Gesamtrißlänge, lges, wird zu der an der Probenoberfläche in Abhängigkeit vom Biegeradius aufgebrachten Biegedeh-nung in Beziehung gesetzt.
In Bild 6-5 sind die Ergebnisse, die Gesamt-rißlänge auf der Ordinate und die Dehnung auf der Abszisse, dargestellt.
Die Biegedehnung eB wird wie folgt berech-net:
eB = ◊◊
1002
dR
[%]
d = Probendicke (mm)R = Matrizenradius (mm).
Heißrisse in einer Probe aus einem vollau-stenitischem Schweißguts eines Varestraint-Tests an sehr heißrißanfälligem Material zeigt das Bild 6-6.
BeurteilungskriteriumAls Kriterium für die Heißrißneigung von Grund- und Zusatzwerkstoffen ist die auf die Probenbiegedehnung bezogene Gesamtriß-länge lges festgelegt worden. Miterfaßt sind da bei das Wärmeeinbringen Q, das Schweiß-verfahren (WIG, MAG usw.), die Biegege-schwindigkeit und vor allem die chemische Zusammensetzung von Grund- und Zusatz-werkstoff.
AnwendungsgrenzenDer MVT-Test erlaubt die schnelle und wirt-schaftliche Prüfung der ganzen Schweißver-bindung, die aus Schweißgut, WEZ und Grundwerkstoff besteht.
Sowohl Änderungen in der chemischen Zu-sammensetzung der Werkstoffe als auch die der Schweißpa rameter werden mit geringer Streuung und großer Empfindlichkeit erfaßt. Eine Übertragung der Ergebnisse auf das Bauteilverhalten beim Schweißen ist noch nicht zwei fels frei gesichert.
StandarduntersuchungenWIG-Anschmelztest ohne Zusatzwerkstoff
Ort der Untersuchung
Tabelle 6-1Anwendungsbereich der MVT-Tests.
Bild 6-6Heißrisse in austenitischem Schweißgut, V = 9:1, nach Wilken, BAM.
Abschn. 6.2: Prüfung auf Kaltrißanfälligkeit 571
6.2 Prüfung auf Kaltrißanfälligkeit
Als Ursache für das Entstehen von Kaltris-sen in Schweißverbindungen wird das Zu-sammenwirken von– Wasserstoff,– Härtungsgefüge und von– Spannungen angesehen.
Prüfverfahren zum Bewerten der vom Was-serstoffgehalt abhängigen Kaltrißneigung von Schweißverbindungen sollten deshalb folgende Anforderungen erfüllen:– reproduzierbare, feinstufige Einstellung
von Kräften bzw. Dehnungen, Wärme-men gen und Gasmengen auf die Probe,
– Lieferung reproduzierbarer Ergebnisse, wie Spannungen, Dehnungen, Wasser-stoffgehalte und Temperaturen,
– geringer Prüfaufwand.
Die Prüfergebnisse sollen auf Bauteile über-tragbar sein und anzuwendende Fertigungs-maßnahmen erkennbar machen. Des wei-teren soll auch die Kaltrißempfindlichkeit von Stählen quantifiziert werden können.
Die verwendeten Proben können selbsbean-spruchend oder fremdbeansprucht sein. Bei den selbsbeanspruchenden Proben wird die zur Erzeugung von Kaltrissen erforderliche kritische Zugspannung durch Eigenspan-nungen aufgebracht, die sich in der Probe bei behinderter Ausdehnung oder Schrump-
fung oder durch Gefügeumwandlung einstel-len. Bei fremdbeanspruchten Proben wird die Zugspannung mit einer Belastungsvor-richtung aufgebracht, wobei sich diese mit den Eigenspannungen der Probe überlagert (Superpositionsprinzip, weil elastische Span-nungen). Weitere Einflußgrößen sind die – Vorwärm- und Zwischenlagentemperatur,
die– Streckenenergie und die– Abkühlgeschwindigkeit beim Schweißen.
Als Maß für die Abkühlgeschwindigkeit ist die Abkühlzeit für die Abkühlung von 800 ∞C auf 500 ∞C, t8/5, festgelegt worden, die auch als Bezugsgröße für die Beurteilung des Um-wandlungsverhaltens der WEZ dient (Ab-schn. 3.3.1). Hierfür werden kontinuierliche ZTU-Schaubilder zu Hilfe genommen, die un-ter Schweißbedingungen aufgestellt wurden. Mit ihnen läßt sich u. a. die Art der Gefüge-bestandteile, insbesondere der die Kaltriß-neigung maßgebend beeinflußende Marten-sitgehalt in der WEZ, abschätzen.
6.2.1 Implant-Test
Beim Implantversuch wird die mechanische Beanspruchung der Probe durch eine dem Zeitstandversuch vergleichbare Belastungs-vorrichtung aufgebracht (Fremdbeanspru-chung). Die Prüfanordnung besteht aus drei Systemeinheiten:
Bild 6-7Der Implant-Test.a) Querschnitt durch die Implant-Probe und die Einschweißplatte nach dem Versuch,b) Querschliff einer nichtgebrochenen Implantprobe mit Wendelkerbe. Die Wendelkerbe an der Schmelzlinie
ist mit einem Pfeil gekennzeichnet, nach V. Neumann, BAM.
Schweißgut
Implantprobe ausdem Prüfwerkstoff
Blech ausunlegiertemStahl
WEZ
F
b)a)
572 Kapitel 6: Anhang
– dem Implantprüfstand, bestehend aus der Belastungsvorrichtung, dem Meßwertauf-nehmer und der Schweißvorrichtung,
– den Schweißzusatzwerkstoffen und Hilfs- stoffen, einschließlich ihrer Vorbehand-lung, der Methode zum Bestimmen des Wasserstoffgehalts des Schweißguts, der Gehalte der Schweißgüter an diffusiblem Wasserstoff und
– den Proben einschließlich deren Herstel-lung und der Geometrie der Proben und der Einschweißplatten und der Beanspru-chung der Implantproben.
Das Prinzip des Implantversuchs zeigt Bild 6-7. Die Rundprobe mit umlaufendem V-Kerb (Durchmesser 8 mm, Kerböffnungswinkel 40∞, Kerbgrundradius 0,5 mm) wird in die Bohrung bündig zur Oberfläche der Ein-schweißplatte gesteckt und mit einer Auftrag-raupe überschweißt. Nach dem Schweißen wird die Probe mit einer konstanten Zug-kraft belastet, Bild 6-8. Festgestellt wird der Brucheintritt oder eine Anrißbildung.
Während des Versuchs werden die Schweiß-parameter (U, I, v ), der zeitliche Verlauf der Temperatur im Schweißgut, in der WEZ und der Belastung der Probe registriert, Bild 6-8. Wird als Beurteilungskriterium der erste An-riß in der Implantprobe angesehen, so kann dieser an einem metallografischen Schliff durch die Längsachse der Probe nach dem Versuch, Bild 6-7, mit einem empfindlichem Dehnungsmesser oder mit Hilfe der Schall-emissionsanalyseverfahren während des Ver-suchs nachgewiesen werden.
Bricht die Probe nicht während der Bela-stungszeit, kann die Probe auch auf Unter-nahtrisse (wasserstoffinduzierte Kaltrisse) geprüft werden. Dazu wird die Probe zum Sichtbarmachen der Risse bei Temperaturen zwischen 250 ∞C und 300 ∞C in oxidierender Atmosphäre geglüht und anschließend me-tallografisch untersucht.
Bei der Prüfung der Implantprobe erfolgt die Ermittlung des Kaltrißverhaltens im Zu-sammenwirken der thermischen (durch das Schweißen), der chemischen (Einbringen des Wasserstoffs) und der mechanischen (durch die konstante Zugkraft) Beanspruchung.
Die mechanische Beanspruchung der Im-plantproben wird als Nettonennspannung angegeben. Ihre Größe ist durch die Größe der Prüflast und durch den Kerbquerschnitt gegeben. Berücksichtigt ist dabei die Aus-wirkung des kerbbedingten Mehrachsigkeits-grades des Spannungszustandes, der stark vom Kerbgrundradius der Wendelkerbe oder Ringnutkerbe abhängt. Nach Neumann lie-gen in der Implantprobe drei verschiedene Kerbfälle vor, und zwar:– am Übergang von der Probe in die Ein-
schweißplatte an der Schmelzlinie, Bild 6-7b,
– an der Ring- oder Wendelkerbe und – am Übergang zur Schmelzlinie durch das
Zusammenwirken von Ring- oder Wen-delkerbe. Dieser Bereich stellt eine extre-me metallurgische und mechanische Ker-be dar.
Als Maßstab zur Kennzeichnung eines kerb-bedingten Mehrachsigkeitsgrades des Span-nungszustandes vor Kerben dienen der Kerb-faktor ak nach Neuber oder der plastische Spannungskonzentrationsfaktor Ksp, der im Gegensatz zu ak für plastisches Werkstoff-verhalten definiert ist.
Eine Möglichkeit der Charakterisierung der Kaltrißanfälligkeit von Schweißverbindun-gen ist die Ermittlung einer kritischen Span- nung, unterhalb der die Probe nicht mehr bricht. Diese wird auch als statische Ermü-dungsgrenze “ bezeichnet. Hierbei sind die Vorwärmtemperatur, die Streckenenergie
und der Wasserstoffgehalt des Schweißguts konstante Größen. Aber auch die Ermittlung von Vorwärmtemperatur und Streckenener-gie bei konstanter Belastung und konstan-tem Wasserstoffgehalt im Schweißgut ist möglich, wenn der Bruch als Bewertungskri-terium gewählt wird. Die Variation der Ein-flußgrößen richtet sich nach der Zielsetzung des Implantversuchs, wobei aber auch reines Schweißgut geprüft werden kann. Je nach Versuchsdurchführung wird der Rißwider-stand des Schweißguts oder der WEZ bei lo-kaler mehrachsiger mechanischer, thermi-scher und chemischer Beanspruchung ge-prüft. Die Kaltrißprüfung ist im DVS Merk-blatt 1001 ausführlich beschrieben.
Die Ergebnisse können entweder als– kritische Spannung über der Standzeit
(Bruchzeit), Bild 6-9, oder– Vorwärmtemperatur über der Strecken-
energie der gebrochenen und nicht gebro-chenen Proben, Bild 6-10, oder in Form
– diffusiblen Wasserstoffgehalt über der Streckenenergie der gebrochenen und nicht gebrochenen Proben aufgetragen werden.
Die Mechanismen des Bruches sind aus dem Erscheinungsbild der Bruchflächen und aus dem Verlauf der Kaltrisse in der Implantprobe zu erklären. Die Bruchoberflächen können – eine wabenartige Struktur (Verformungs-
bruch), Bild 6-11 – eine spaltflächige Struktur, Bild 6-12,
– oder einen Mischbruch aufweisen, bei dem der Bruchverlauf trans- oder interkristal-lin sein kann, Bild 6-13.
Zusammenfassung, Wertung Der Implantversuch eignet sich für die Lö-sung folgender Aufgaben:– Ermittlung der Kaltrißanfälligkeit von
Schweißverbindungen, die mit praxisna-hen Schweißparametern hergestellt wer-den. Die Kaltrißanfälligkeit nimmt mit dem Wasserstoffgehalt im Schweißgut zu.
– Die an Implantproben erhaltenen Ergeb-nisse erlauben zwar eine Beurteilung der Schweißeignung von Werkstoffen und des Schweißverhaltens von Zusatzwerkstoffen, aber nicht die Übertragung auf das Verhal-
Bild 6-11Wabenbruch in einem Einsatzstahl 16MnCr5 bei Raumtemperatur, BAM.
Bild 6-9Einfluß der Beanspruchung auf die Bruchzeit von Implant-Proben aus einem Feinkornbaustahl StE 460 für un terschiedliche Wasserstoffgehalte im Schweiß-gut, nach V. Neumann, BAM.
10 50100 500 1000 5000min
Zeit t
5,3 ml H2/ 100 g
6,9 ml H2/ 100 g
980
900
820
740
660
1060
Sp
annu
ngs
mm2
gebrochene Probe
N
Bild 6-10Einfluß der Streckgrenze und der Vorwärm tempera-tur auf das Kaltrißverhalten verschiedener Fein korn-baustähle bei unterschiedlichem Wasser stoff ge halt im Schweißgut, nach V. Neumann, BAM.
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
Wärmeeinbringen Q kJ/cm
Vor
wär
mte
mp
erat
ur
∞ C
1
2
3
4
3,25 ml H2/ 100 g1
2
3
4
StE 460
6,68 ml H2/ 100 gStE 460 V
2,5 ml H2/ 100 gStE 460 V
St 52-36 ml H2/ 100 g
574 Kapitel 6: Anhang
Bild 6-12Schädigung durch Wasserstoff.Kaltriß im Stahl 41Cr4 nach Wasserstoffbela dung,
Bild 6-13Quasispaltbruch, der bei einer Prüftemperatur von 80 K in einem vergüteten Stahl erzeugt wurde, BAM.
ten geschweißter Bauteile, weil der Grö-ßeneinfluß nicht erfaßbar ist. Hierfür sind Bauteilversuche an Großproben besser geeignet.
– Die Einstellung des Gefüges der WEZ ergibt sich aus der Streckenenergie und den Bedingungen der Abkühlung, die mit dem Kennwert t8/5 beschrieben wird. Die Menge des kaltrißbegünstigenden Mar-tensits läßt sich unter Berücksichtigung von t8/5 und der chemischen Zusammen-setzung des Werkstoffs aus seinem konti-nuierlichen ZTU-Schaubild (Abschn. 2.5.3) abschätzen. Die Eigenspannungen sind bisher nicht berücksichtigt worden, sie werden von der angelegten Zugspannung überlagert.
Bei den eigenbeanspruchenden Kaltriß-tests gibt es strenggenommen nur Riß oder Nichtriß in der Naht als Beurtei-lungskriterium und keine Aussage über den Einfluß der Beanspruchungsgrößen. Auf diese weniger aussagefähigen selbst-beanspruchenden Verfahren wird deshalb nicht näher eingegangen.
6.2.2 Der Pellini-Versuch
Der Fallgewichtsversuch nach Pellini ( Drop-Weight-Test) eignet sich zum Zähig-keitsnachweis dynamisch beanspruchter Kon-struktionen und von Stumpfnahtschweißver-bindungen mit Blechdicken über 13 mm. Mit dieser Prüfung wird eine Grenztempera-
tur, NDT-Temperatur (Nil Ductility Transi-tion), ermittelt, die als Werkstoffkenngröße eines Grenztemperatur-Versagenskonzeptes für Sicherheit gegen Rißauffangen (Rißauf-fangkonzept) dient.
Das Rißauffangkonzept begründet sich in der Vorstellung, daß die Werkstoffzähigkeit oder die der Schweißverbindung entspre-chend groß sein muß, um einen instabil fort-schreitenden Riß auffangen zu können. Das Rißauffangvermögen eines Werkstoffs ist besonders bedeutungsvoll für druckführende Umschließungen, z. B. Rohre und Behälter mit Gas oder Flüssigkeit unter hohem Druck, weil dadurch eine zusätzliche Betriebssicher-heit für den Fall eines sich ausbreitenden Risses durch Rißauffangen (Rißstopp) gege-ben ist.
Die Prüfung erfolgt an Flachproben (130 x 50 x 13 ... 25 mm) mit einseitig aufgebrachter Auftragschweißraupe, die quer zur Schweiß-richtung mit einem Sägeschnitt gekerbt ist, Bild 6-14.
Der Sägeschnitt dient als „Rißstarter“ vom spröden Schweißgut aus. Die Prüfeinrichtung besteht aus einem 3-Punkt-Biegetisch mit einem die Durchbiegung begrenzenden ein-gebauten Gegenlager, das eine definierte Durchbiegung der Probe zuläßt, die so groß ist, daß an der Randfaser des Flachstückes die Streckgrenze gerade überschritten wird. Die Energie wird mit einem Fallhammer zu-geführt. Ihre Größe ist aus der Masse des
Abschn. 6.3: Der Kerbschlagbiegeversuch (DIN EN 10045) 575
Fallgewichts (25 bis 50 kg) und der Fallhöhe mit Hilfe des Fallgesetzes zu berechnen und an die Streckgrenze (Re, Rp) des zu prüfenden Werkstoffs anzupassen. Durch Prüfung bei verschiedenen Temperaturen wird die NDT-Temperatur erhalten, das ist die Tempera-tur, bei der der von der gekerbten Schweiß-raupe ausgehende Riß vom Werkstoff nicht mehr aufgefangen wird und die Probe noch bricht.
Kriterium für ihre Festlegung ist, daß zwei weitere Proben des gleichen Werkstoffs bei einer um 5 K höheren Prüftemperatur nicht brechen.
Im Rißauffang-Versagenskonzept kennzeich-net die NDT-Temperatur eine Grenztempe-ratur, also einen Grenzzustand, bei dem klei-ne Risse bei einer Beanspruchung von sN i Re und große Risse bei sN i 0,1 Re gerade noch aufgefangen werden, wie aus dem Bruchana-lysediagramm (FAD) nach Pellini hervor-geht. Zu beachten ist dabei, daß die Rißauf-fangtemperatur nicht nur von der Höhe der Nennspannung, sondern auch von der ela-stischen Energie des Bauteils, gegebenen-falls auch vom Druckmedium abhängt.
Das Verfahren ist in den Regelwerken– ASTM E 208a,– SEP 1325 und– VdTÜV-Merkblatt Werkstoffe 1256-
07.80genannt.
Die Anwendung des Verfahrens dient zur:– Qualitätssicherung und zum Zähigkeits-
nachweis von schweißgeeigneten Bau-stählen mit Hilfe der NDT-Temperatur, die bis auf 3 K ermittelbar ist,
– Entwicklung und zur Erforschung des Rißauffangvermögens von ferritischen Stählen.
Abschließend ist festzuhalten, daß das Pel-lini-Prüfverfahren sehr wirtschaftlich ist, das Ergebnis aber nur eine Ja-Nein-Ent-scheidung zuläßt.
6.3 Der Kerbschlagbiegeversuch (DIN EN 10045)
Die Prüfung erfolgt an gekerbten Biegepro-ben, vorwiegend aus Baustahl, mit schlag- artiger Beanspruchung, die mit Hilfe eines genormten Pendelschlagwerkes aufgebracht wird. Dabei wird die zur Erzeugung des Bru-ches der Kerbschlagbiegeprobe verbrauchte gesamte Arbeit (Kerbschlagarbeit AS) meist in Abhängigkeit von der Temperatur gemes-sen.
Die Ergebnisse sollen Aufschluß über das Verhalten eines Werkstoffes oder eines Bau-teils– bei behinderter Verformung infolge des
kerbbedingten dreiachsigen Spannungs-zustandes im Restquerschnitt vor der Kerbe und
– bei verschiedenen tiefen Temperaturen geben.
Daraus lassen sich dann Rückschlüsse– auf das Verformungs- und Bruchverhal-
ten und insbesondere– auf den Übergang vom duktilen Verfor-
mungsbruch zum spröden Spaltbruch, der durch die Übergangstemperatur ge- kennzeichnet ist, ziehen.
Bild 6-14Zum Pellini-Versuch.a) Pellini-Probe mit Sägeschnitt, b) Versuchs an ord nung, c) Probe gebrochen, d) Probe nicht gebrochen, nach Blumenauer.
Schweißraupe Sägeschnitt
130 ± 10
Fallmasse
Probe
a
101,6
Auflage
50± 1
19±
0,2
a Abstand zwischenBlech und Amboß
b) d)
c)a)
576 Kapitel 6: Anhang
Die Ergebnisse dienen vor allem– zur Kontrolle der Güte und Gleichmäßig-
keit des Werkstoffes (Werkstoffzustand, Behandlungszustand),
– zur Einschätzung für die Neigung zum Sprödbruch,
– zur bequemen wirtschaftlichen Produk-tionsprüfung von Stahlprodukten und Schweißverbindungen.
Die Ergebnisse sind aber nicht geeignet, den Werkstoff bezüglich– seiner Eigenschaften über der Wanddicke
(wenn die Erzeugnisdicke wesentlich grö-ßer als die Probendicke ist),
– seiner durch Schweißen eingebrachten Eigenspannungen und Versprödung,
– seiner Belastbarkeit (Größe der Bela stung und Verformung),
– seines Rißwiderstandes (Einfluß von Riß-form und -länge)
zu beurteilen. Hierzu sind größere Proben in den Abmessungen der Erzeugnisdicke bes-ser geeignet.
Ferner liefert der Kerbschlagbiegeversuch nach DIN EN 10045 keinen Kennwert für die Festigkeitsberechnung, sondern Über-gangstemperaturen, die den duktil-spröden Bruchübergang erfassen.
Die Übergangstemperaturen eignen sich für die Bewertung des Sprödbruchverhaltens schweißgeeigneter Baustähle, z. B. mit dem
Übergangstemperaturkonzept. Zu beachten ist dabei, daß jede Kerbform, Charpy-V- oder DVM-Probe, eine „eigene“ Übergangstempe-ratur liefert. Deshalb ist es unabdingbar, daß zur Angabe der Übergangstemperatur Tü auch– die Kerbform, Probenform, Probengröße
und – die Art ihrer Festlegung mit angegeben
wird.
Die Standardabmessung der Kerbschlagbie-geprobe beträgt 55 x 10 x 10 mm, ihre Be-zeichnung bezieht sich auf die Kerbform und auf das Regelwerk. Bei den Standardproben hat sich die Probe mit V-Kerbe (Charpy-V) (DIN EN 10045) durchgesetzt, Bild 6-15.
Die Kerbformen unterscheiden sich in der Tiefe, im Kerbradius und im Kerböffnungs-winkel, die Probengrößen nach ihrer Breite und Höhe. Außer der Charpy-V-Probe werden z. B. die „Kleine Probe“ des Deutschen Ver-bandes für Materialprüfung (DVMK) und die „Kleinstprobe“ (KLST) verwendet.
Als Belastungseinrichtung dient ein Pendel-schlagwerk, das nach seinem Arbeitsver-mögen, 300 oder 50 J, bezeichnet wird.
Die Auftreffgeschwindigkeit der Hammer-scheibe wird errechnet aus:
v gh gL= = ◊ -2 2 1( cos )a
das potentielle Arbeitsvermögen aus Ap = F ◊h = F ◊L ◊ (1- cos a ), und die verbrauchte Schlagarbeit beträgt K = Ap - Aü, wobei Aü die überschüssige Arbeit
Aü = F ◊h1 = F ◊L ◊ (1 - cos b ) bezeichnet.
Die verbrauchte Arbeit K kann auf der An-zeigeeinrichtung des Pendelschlagwerkes (Schleppzeiger) direkt abgelesen werden.
Zur Ermittlung der Kerbschlagarbeit K wird die Probe im Pendelschlagwerk dynamisch (schlagartig) belastet, und nach dem Bruch wird die durch den Schleppzeiger auf einer Skale angezeigte Kerbschlagarbeit K in J abgelesen.
Bild 6-15Abmessungen der Kerbschlagbiegeprobe (V-Form und U-Form).
D
Höh
e
Ker
btie
feN
W
Breite
Z
X
YZ
X
45°
55
10
2R0,25
Probe mit U-Kerbe
Probe mit V-Form
10
55
10
R1
10
5
Abschn. 6.3: Der Kerbschlagbiegeversuch (DIN EN 10045) 577
Im Normalfall wird K bei Raumtemperatur und zur Ermittlung des Einflusses der Tem-peratur auf das Werkstoffverhalten bei schlag- artiger Beanspruchung bei verschiedenen Prüftemperaturen ermittelt. Dabei sollten bei einer Temperatur mindestens drei Pro-ben geprüft werden.
Aus der Auftragung der K-Werte in Abhän-gigkeit von der Temperatur wird die K-T-Kurve erhalten, die für krz Baustähle eine S-Form aufweist, Bild 6-16. Wird der K-Wert auf den Prüfquerschnitt bezogen, erhält man die Kerbschlagzähigkeit ak,
aKSk 2
Jcm
= ÈÎÍ
˘˚̇,
die bei Abweichung von der Standardprobe zweckmäßiger sein kann als der K-Wert. Dennoch ist der ak-Wert keine einwandfrei definierte Kenngröße, weil der Energieum-satz auf eine Fläche und nicht auf das da-für zur Verfügung stehende Volumen bezo-gen wird.
Die Übergangstemperatur kennzeichnet die Lage des Steilabfalls der K-T- bzw. ak-T-Kur-ve. Folgende Festlegungen der Übergangs-temperatur Tü sind üblich:– Tü = 50 % der Hochlage,– Tü = 27, 41 und 68 J Mindestwerte von K,– Tü = 50 % kristalliner Bruchanteil kf,– Tü = 0,4 mm und 0,9 mm laterale Breitung
(LB).
Die „laterale Breitung“ (LB) ist die Breite der Kerbschlagbiegeprobe nach dem Bruch infolge der dabei auftretenden plastischen Verformung, Bild 6-16.
Weitere Festlegungen ergeben sich noch aus dem instrumentierten Kerbschlagbiegever-such (Abschn. 6.3.1).
Die Lage der Übergangstemperatur Tü wird von folgenden Einflußgrößen bestimmt:– Kerbform Mit zunehmender Kerbschärfe (abneh-
mendem Kerbradius und Kerböffnungs-winkel) wird die AS-T-Kurve nach rechts verschoben und die Streuung im Steilab-fall geringer.
– Probendicke Mit zunehmender Probendicke wächst
die Formänderungsbehinderung in Dik-kenrichtung der Probe, bis die Dehnung in Dickenrichtung (z-Richtung) Null wird (ezz = 0). Dieser Zustand wird „Ebener Verzerrungszustand“, EVZ, genannt, der sich in Probenmitte (W/2) vor dem Kerb-grund im Restquerschnitt einstellt. Bei dünneren Proben baut sich deshalb ein geringerer Spannungszustand vor dem Kerbgrund auf, was sich auf den Werk-stoffwiderstand auswirkt. Die AS- T-Kurve wird nach links zu tieferen Tü-Werten bis zu einer Grenzdicke verschoben, bei der sich ein ebener Spannungszustand ein-stellen kann (szz = 0).
– Größeneinfluß Bei Untersuchungen von Schadensfällen
oder von Halbzeugen, deren Erzeugnis-dicke unterhalb der Dicke der Kerbschlag-biegeprobe liegt, muß von der Standard-abmessung abgewichen werden.
Ein Vergleich dieser Ergebnisse mit denen der gleichen Probenform (Standard-Norm-
Bild 6-16K-T-Kurve eines ferritischen Baustahls, schematisch, mit Kennzeichnung der drei charakteristischen T- Be rei che zusammen mit Brucherschei nun gen und den Übergangstemperaturen Tü,27, Tü,50%.
Tieflage
Steilabfall
HochlageÜbergang
Temperatur T
J
K
Spaltbruch
Tü50%Tü27
27
Ker
bsc
hlag
arb
eit
K
LB
Wabenbruch,ScherlippenVerformungs-bereich
Mischbruch,Waben und Spalt-bruch, kristallinerFleck; kf (Spalt-bruchanteil)
578 Kapitel 6: Anhang
probe) im AS-T-Diagramm ist unzweck-mäßig, weil die Arbeitsbeträge zu unter-schiedlich sind. Bei der Auftragung als ak-T-Diagramm wird der Größeneinfluß z. T. unterdrückt, die Übergangstempe-raturen sind jedoch unterschiedlich. Des-halb ist eine Übertragung von an Proben gemessenen Übergangstemperaturen auf Bauteile zur Festlegung einer niedrigsten Betriebstemperatur nicht möglich.
– Prüfverfahren (DIN, ASTM und ISO) Der Einfluß des Prüfverfahrens beruht
auf der unterschiedlichen Ausbildung der Hammerschneide, der Hammerscheibe und auf der unterschiedlichen Auftreffge-schwindigkeit der Hammerscheibe, die 5,5 m/s (DIN) und 5,1 m/s (ASTM) beträgt. Die Folge ist, daß im Vergleich zu ISO-Ver-fahren beim ASTM-Verfahren oberhalb von 60 J höhere AS-Werte gemessen werden.
Prüfung von Proben mit SchweißnahtDie Ergebnisse des Kerbschlagbiegeversuchs eignen sich vor allem für die Überwachung der Herstellung von Schweißverbindungen sowie für die Beurteilung von abnahmepflich-tigen geschweißten Bauteilen für druckfüh-rende Umschließungen. Dazu ist die Proben-nahme aus dem Schweißgut, WEZ und Grund-werkstoff erforderlich, die in DIN EN 875 festgelegt ist, Bild 6-17.
Zur Qualitätssicherung von Mehrlagenschwei-ßungen ist die Probennahme mit Kerb in der S-Lage zu bevorzugen. Bei Einlagenschwei-ßungen (z. B. UP- oder Elektroschlackeschwei-ßungen) ist das Ergebnis von der Lage des Kerbes (Nahtmitte, Nahtrand) abhängig. Bei der häufig verwendeten Anordnung des Kerb-grundes in der WEZ ist das Gefüge der WEZ und damit auch die Kerb schlagarbeit an je-
Bild 6-17Probennahme, Probenlage und Probenbezeichnung, aus schmelzgeschweißter Stumpfnaht nach DIN EN 875.
a
a
Schweißnahtmitte Schweißnahtübergangsbereich
P
Pa/b
PÜ
PÜa/b
a
b b
a
Schweißnahtmitte
Schweißnahtübergangsbereich
Schweißnahtübergangsbereich
SSÜ SSÜa
S
Sa/b
SÜ
SÜa/b
SÜa/b
SÜa/b
a
b
a
b
a
bb
a
SPÜ SPÜa
Schrägelage, Kerb senkrecht (SS - Lage)a = festzulegender Abstand des Kerbgrundes von der Schmelzlinie
Schrägelage, Kerb parallel (SP-Lage)a � festzulegender Abstand des Kerbgrundes von der Schmelzlinie
Schweißnahtübergangsbereich
Parallele Oberflächenlage des Kerbes (P - Lage)a � festzulegender Abstand des Kerbgrundes von der Schmelzlinie bei
PÜ-Lage oder von Schweißgutmitte bei P-Lageb � festzulegender Abstand der Probenoberfläche von der Werkstückoberfläche
Senkrechte Lage des Kerbes (S - Lage)
Abschn. 6.4: Der instrumentierte Kerbschlagbiegeversuch 579
der Stelle verschieden. Bei Mehrlagenschwei-ßungen gibt es Bereiche, die mehrmals um-gekörnt worden sind, aber auch solche, wo nur Grobkorn (Grobkornzwickel) vorliegt, Bild 6-17. Problematisch wird die Proben-nahme aus Stumpfnähten unter 30 mm Dik-ke, weil meist nur eine Probe in P-Lage her-ausgearbeitet werden kann. Bei Stumpf-nähten unter 12 mm Dicke mit einer U-, V- oder X-Nahtvorbereitung ist dies nicht mehr möglich. Die alternative Möglichkeit, Proben aus der SÜ-Lage zu entnehmen, liefert nur eine bedingt brauchbare Kerb schlagzähigkeit der WEZ.
Mehr Informationen über das lokale Werk-stoffwiderstandsverhalten der WEZ wird durch eine metallographische Gefügeunter-suchung am Bruchausgang erhalten, was aber meistens nur zu Forschungszwecken üblich ist.
Zusammenfassend ist festzustellen, daß mit Hilfe des Kerbschlagbiegeversuches die Zä-higkeit der WEZ ermittelt werden kann. Die Ergebnisse beschreiben aber nicht global das WEZ-Verhalten, sondern sind abhängig von: – der Lage des Kerbgrundes in der WEZ,
längs oder quer zur Schweißnaht (S-P-Lage),
– der Lage des Kerbgrundes in der WEZ, ob in einem Grobkornzonen- oder Feinkorn-
zonenbereich (Abstand von der Schmelzli-nie),
– der Breite der WEZ, wenn von den schweiß-technischen Einflüssen (Schweißverfah-ren, Lagenaufbau, Einstellwerte) abgese-hen wird.
6.4 Der instrumentierte Kerbschlagbiegeversuch
Zum Beurteilen des Verformungs- und Bruch-verhaltens, besonders bei teilplastischer Ver-formung, aber auch bei plastischer Verfor-mung im Temperaturbereich des Steilab-falls, ist es von Interesse, den Arbeitsanteil bei der Rißeinleitung und Rißausbreitung getrennt zu erfassen. Das ist mit dem instru-mentierten Kerbschlagbiegeversuch mög-lich.
Die Prüfung unterscheidet sich von dem Kerbschlagbiegeversuch nach DIN EN 10045 nur dadurch, daß mit einer Instrumentie-rung der Prüfeinrichtung während des Ver-suchs die Kraft-Zeit oder Kraft-Durchbie-gung (Weg) von Kerbschlagbiegeproben re-gistriert werden können, Bild 6-18.
Die Instrumentierung der Versuchseinrich-tung als Blockschaltbild ist in Bild 6-19 dar-
Kra
ft
0
0
4
8
12
16
20
4 8
Fm
Weg
kN
mm
Fu
Fgy
Fa
Bild 6-18Ermittlung der kennzeichnenden Werte der Kraft eines Kraft-Weg-Schriebes gemäß SEP 1315/Stahl-Eisen-Prüfblätter.
Bild 6-19Funktionsblöcke der Instrumentierung der Prüfein-rich tung zur Ermittlung der Kraft in Abhängigkeit von der Zeit.
KalibrierungReferenzsignal
Digital-Kraftanzeige
Monitor
VerstärkerDC - 1 MHz
Tiefpaß(wahlweise)
Plotter
Drucker
Rechner
PlattenspeicherAnwender-Software
Bildschirm- Terminal
Zähler mitMIN-MAX-Speicher
Digital-Ausgang
InkrementalerDrehgeber(Pendelachse)
DMS-Kraft-Aufnehmer(Finne)
Brückenspeise- spannung Trigger
Transient-Recorder10 MHzAD-Wandler
Weg
Fdyn
580 Kapitel 6: Anhang
gestellt. Während des Versuchs wird die Kraft in Abhängigkeit von der Zeit gemes-sen. Die Schlagkraftmessung erfolgt mit Dehnungsmeßstreifen (DMS) an der als Dy-namometer ausgebildeten Hammerschneide, die bis zu 40 kN kalibriert ist. Die Registrie-rung erlaubt die Erfassung der bis in den ms-Bereich reichenden dynamischen Vorgän-ge beim Bruch, wobei diese von denen der Prüfeinrichtung nur schwer zu unterschei-den sind.
Die Fläche unterhalb der Kraft-Weg-Kurve entspricht der gesamten von der Kerbschlag-biegeprobe während des Versuchs verbrauch-ten Kerbschlagarbeit in J.
Für die Auswertung der Kraft-Weg-Kurve ist das Auftreten ausgeprägter Kräfte Vor-aussetzung, Bild 6-18. Die Arten von Kraft-Weg-Kurven und ihre Zuordnung zu den vier Temperaturbereichen der AS-T-Kurve (I, II, III, IV) sind in Bild 6-19 dargestellt:
– Temperaturbereich I, T < Tgy, Tieflage der Kerbschlagarbeit, Kraft-Weg-Kurve ist durch linearen Anstieg gekennzeich-net, Teilschlagarbeit gering, Spaltbruch.
– Temperaturbereich II, T > Tgy, Übergang von Tieflage zum Steilabfall, Kraft-Weg-Kurve kennzeichnet die dynamische Fließkraft Fgy, Kraft bei Erreichen der Voll-plastifizierung des Restquerschnitts (Li-gament) und die Maximalkraft Fm = Fu, Bildung eines stabilen Anrisses vom Kerb-grund aus, Spaltbruch.
– Temperaturbereich III, T > Ti, Steil-abfall, Kraft-Weg-Kurve kennzeichnet Fgy, Fm, Fu und Fa, Bild 6-19,
Fu: Beginn der stabilen Rißausbreitung, Fa: Rißauffangkraft, Verformungsbruch
nach Auffangen des von Fu ausgegange-nen Spaltbruchs (Mischbruch), bei Nicht- auffangen ist Fa = 0.
F < Fm, Bereich der Rißeinleitung, F > Fm, Bereich des Rißfortschritts.
– Temperaturbereich IV, T > Td, Hoch-lage der Kerbschlagarbeit, Kraft-Weg-Kurve kennzeichnet Fgy und Fm, entspricht
verzögertem Lastabfall bis zum vollstän-digen Bruch,
Bruchart: Verformungsbruch, Waben-bruch.
Des weiteren sind in Bild 6-19 in Abhängig-keit von der Temperatur dargestellt:– der Abstand der Spaltbruchausgangsstelle
(Nukleus) vom Kerbgrund und die Länge des stabilen Anrisses vom Kerbgrund, die beide auch als Maß für die Tempera-turabhängigkeit der Zähigkeit eines Werk-stoffs anzusehen sind,
– die plastische (bleibende) Probendurch-biegung als Maß für das plastische Formän-derungsvermögen eines Werkstoffs unter schlagartiger Belastung,
– die Fließspannung sgy und die Bruch-spannung sf, die mit Hilfe des Ansatzes der elementaren Biegebalkentheorie für elastisches und plastisches Werkstoffver-halten berechnet wurden, gemäß:
σ f
f
s
ifür= ( ) ⋅⋅ − +( )[ ]
>F T S
B W a aT T2
für T < Ti ist as = 0 und
σgygy
gyfür=( ) ⋅
⋅ −( )>
F T S
B W aT T2
für vollplastischen Restquerschnitt.
Die charakteristischen Temperaturen kenn-zeichnen eindeutig physikalische Prozesse des Verformungs- und Bruchverhaltens von krz Stählen, sie stehen in keinem funktio-nalen Zusammenhang zu den Übergangs-temperaturen der K-T-Kurve.
Grundsätzlich kann über die Rolle des Kerb-schlagbiegeversuches mit Ermittlung von Kraft und Weg ausgesagt werden, daß er immer mehr an Bedeutung in der Werkstoff-prüfung gewinnt. Hervorzuheben ist dabei die Eignung zur Ermittlung der dynamischen Bruchzähigkeit an rißbehafteten (angeschwun-genen) Kerbschlagbiegeproben und zur Er-forschung von Bruchvorgängen. Das Verfah-ren ist noch nicht genormt, weshalb es für die Gütesicherung von Werkstoffen noch nicht allgemein zum Einsatz kommt. Die Pro-
Abschn. 6.4: Der instrumentierte Kerbschlagbiegeversuch 581
Bild 6-19Ergebnisse von Kerbschlagbiegeversuchen mit instrumentierter Prüfeinrichtung an Charpy-V-Proben aus ei nem C-Stahl in der Auftragung über der Temperatur. Kennzeichnung charakteristischer Temperaturberei-che I, II, III, IV, und Zuordnung von Brucherscheinungen zusammen mit den Kraft-Weg-Diagrammen, nach Helms, BAM.
bleme des Prüfungsverfahrens bestehen z. Z. bei der Meßwertaufnahme beim Bruch-vorgang, der in ms abläuft, und in der Zuord-nung der registrierten Signale zu Bruch-
und Verformungsvorgängen in der Probe, weil diese vom Zusammenwirken mit der Prüfeinrichtung herrühren und schwer zu trennen sind.
582 Kapitel 6: Anhang
Y
X
r
plastische Zone
�rpl
� eff = � + rpl
Rißufer
�
CO
D �
2 n
CT
OD
�d
gedachte Rißspitze
rpl
Bild 6-20Rißspitzenöffnungsverschiebung (CTOD).
6.5 Das COD-Konzept von Cottrell und Wells
Die Rißspitzenöffnungsverschiebung d als Bruchparameter dient hier zur Beurteilung des Sprödbruchversagens rißbehafteter Struk-turen, bei denen instabile Rißausbreitung erst nach makroskopisch meßbarer plasti-scher Verformung an der Rißspitze einsetzt. Das Konzept basiert auf dem Dugdale-Mo-dell.
Der Bruchparameter, die Rißöffnungsver-schiebung, engl. Crack Opening Displace-ment (COD), ist eine Länge (Verschiebung), eine Grundgröße im physikalischen Maßsy-stem.
Instabile Rißausbreitung setzt danach ein, wenn die plastische Verzerrung (Ver schie-bung) an der Rißspitze, das Maß dafür ist die Rißspitzenöffnungsverschiebung (CTOD = Crack Tip Opening Displacement), einen kri tischen Wert erreicht. Das Bruchkriteri-um lautet:
CTOD = CTODc oder d = dc
Die Größe des Bruchparameters CTOD ist vom Werkstoff, von der Art der Bean spru-chung (Krafteinwirkung, Umgebungsme-dium, Temperatur) und der Proben- oder Bauteilgeometrie abhängig. Das CTODc ist die dazugehörige Werkstoffwiderstandsgrö-ße (Bruchkennwert = Werkstoffkennwert der Zähigkeit).
Je nach Werkstoffverhalten bei mechanischer Belastung hat man als kritische Bruchkenn-werte das:– CTODc oder dc für instabilen Rißfortschritt
(c = critical),– CTODi oder di für den Beginn des stabilen
Rißfortschritts (i = initiation),– CTODR oder dR für stabilen Rißfortschritt
(R = Resistance).
Die Ermittlung der Zähigkeitskennwerte (Bruchkennwerte) erfolgt an Laborproben bei Einhaltung festgelegter Prüfbedingungen. Die Phasen des Bruchablaufes sind in Bild 6-20 dargestellt.
Als Basis des COD-Konzeptes für den An-wendungsbereich der linear-plastischen Bruchmechanik (LPBM) (s
y = sy) dient die in
Bild 6-20 dargestellte Rißspitzensituation. sy = Rp0,2 oder ReL.
Für eine Zugscheibe mit Innenriß ergibt sich für die Rißöffnungsverschiebung unter Be-rück sichtigung der plastischen Zonenkor-rektur nach Irwin:
CODEmax = = ⋅ ⋅∞2
4v
aσ
und für die Rißspitzenöffnungsverschie-bung
CTODE Epl
y
= = ⋅∞42
4 2σσ
ar Kπ .
Die Schwierigkeiten in der Anwendung des COD-Konzeptes bestehen sowohl in der – exakten Definition von d als auch in der – experimentellen Ermittlung kritischer
Werte von d.
Zusammenfassend ist festzuhalten, daß das COD-Konzept der EPBM vorwiegend ein empirisches Konzept ist. Der di-Wert ist nur unter den Bedin gungen des EVZ als Werk-stoffkennwert für den Beginn des Rißfort-schrittes anzusehen. Dadurch ist die Über-tragbarkeit der an Laborproben ermittelten Kenngrößen auf Bauteile zumindest proble-matisch. Die Rißspitzenkontur ist von der Art der Belastung abhängig. Für die Quali-
Abschn. 6.6: Schrifttum 583
6.6 Schrifttum
ASTM E 208a: Fallgewichtsprüfung zur Bestimmung der Nil-Ductility-Temperature (höchste Temperatur, bei der eine Probe von dem Fallgewicht noch gebrochen wird) für ferritische Stähle, 1995.
Blumenauer, W.: Werkstoffprüfung, 4. Auf-lage. VEB Deutscher Verlag für Grundstoff-industrie, Leipzig, 1987.
DIN EN 10045-1: Metallische Werkstoffe; Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy; Teil 1: Prüfverfahren, 1991.
DIN EN 875: Zerstörende Prüfung von Schweißverbindungen an metallischen Werk-stoffen – Kerbschlagbiegeversuch – Pro ben-lage, Kerbrichtung und Beurteilung, 1995.
DVS-Berichte, Band 168: Sicherung der Güte von Schweißverbindungen im Europäischen Binnenmarkt, 1995.Teil 1: Grundlagen und Vorgehensweise, 1982. Teil 2: Praktische Anwendung, 1989.
Heuser, A. G.: Beurteilung des Versagensver-haltens von Schweißverbindungen hochfe-ster Baustähle mit Hilfe bruchmechanischer Methoden. Reihe 18: Mechanik/Bruch me-chanik, Nr. 48, VDI Verlag, Düsseldorf.
Bild 6-21R-Kurve (Widerstandskurve) COD in Abhängigkeit des stabilen Rißfortschritts.
Beginn
stabiler Rißfortschritt � a
KerbflächeSchwingungsrißfläche
Restbruchfläche
��a
kein Versagen
Versagen
d i
Rißfläche des stabilen Rißfortschritts
CO
D,
d
tätssicherung im Bereich der Offshore-Tech-nik wurde di min ≥ 0,25 mm bei −10 °C zugrun-de gelegt.
Burdekin und Dawes leiteten aus dem COD-Konzept ein bruchmechanisches Sicherheits-konzept, den CTOD-Design-Curve-Approach, ab. Die für das rißbehaftete Bauteil berech-nete Beanspruchungsgröße d muß klei ner sein als der Rißinitiierungswert di (Beginn stabiler Rißverlängerung), der als Grenz-wert aus der Design-Kurve entnommen wird, ähnlich wie in Bild 6-21.
Hinweise zur Benutzung:
Die Seitenzahlen der Indexeinträge, die auf Tabellenauszüge aus Normen bzw. Regelwerken verweisen, sind halbfett und kursiv (z. B. 232), die Einträge, die sich auf die Beispiele im Text bzw auf die Aufgaben im Anhang der Hauptabschnitte beziehen, sind halbfett (z. B. 154) markiert.
chemische Härtung 512Chemisorption, s. a. Wasserstoff 102Chi-Phase 205Chloridionenkorrosion (Pitting) 85Chromäquivalent 413Chromcarbid 54, 419-, an Korngrenzen 206Chromverarmungstheorie 206, 207Cluster 47, 160, 192Crack Opening Displacement (COD) 582Crack Tip Opening Displacement (CTOD) 582CTODc 582CTODi 582CTODR 582
586 Sachwortverzeichnis
D
d-Ferrit 420-, primärer 217, 411, 481-, vermicularer 425Dampfphaseninhibitor 102DASt-Richtlinie 009 377DASt-Richtlinie 014 386Dekohäsionstheorie (Oriani) 259Delayed fracture, s. a. Kaltriß 275, 291DeLong-Schaubild, s. a. Konstitutions-Schaubild 414, 431, 441-, Anwendungsbeispiel 414Dendrit 26-, Bildung 28Desoxidieren 130Diffusion 38-, Ermitteln des Konzentrationsverlaufs 38-, nichtstationäre 40Diffusionskoeffizient (D) 38-, effektiver 556-, Berechnen 111Diffusionskonstante (D0) 38Diffusionsweg, mittlerer 40DIN 736 407DIN 1681 450, 451DIN 1694 462, 466DIN 1725-2 524DIN 1729-1 541, 542DIN 1732-2 535DIN 1733-1 502, 505DIN 1736-1 521DIN 1737-1 551DIN 8524, s. DIN EN ISO 6520 266DIN 8524-3 266DIN 8528 374DIN 8528-1 235DIN 8552-3 536DIN 8553 444DIN 8554-1, s. DIN EN 12536DIN 8555-1 440, 447DIN 8556-1, s. DIN EN 12072DIN 8557-1, s. DIN EN 756DIN 8559-100, s. DIN EN 1668DIN 8563-3, s. DIN EN 25817DIN 8573-1 461DIN 17100, s. DIN EN 10025DIN 17102, s. DIN EN 10028-3DIN 17182 451DIN 17200, s. DIN EN 10083DIN 17205 455, 456DIN 17210, s. DIN EN 10084DIN 17440 417DIN 17740 511DIN 17741 511DIN 17742 511DIN 17743 511DIN 17744 511DIN 17745 511DIN 17850 545
DIN 17851 545DIN 18800-1 330 265DIN 18800-1/A1 376DIN 30676 104DIN 50190, s. DIN EN ISO 2639DIN 50601 13DIN 50900, s. DIN EN ISO 8044DIN 50927 104DIN 55928, s. DIN EN ISO 12944DIN EN 439 353DIN EN 440 354DIN EN 499 334, 344, 355DIN EN 515 523DIN EN 573-3 524DIN EN 573-5 523DIN EN 756 357, 358, 360DIN EN 757 368, 369, 396DIN EN 758 355, 356DIN EN 760 359, 360, 361DIN EN 1002 136, 140DIN EN 1011-1 328, 380DIN EN 1011-2 368DIN EN 1011-3 431DIN EN 1011-4 529, 530, 532DIN EN 1561 457, 458, 459DIN EN 1562 468DIN EN 1563 462DIN EN 1600 420, 422DIN EN 1652 502, 504DIN EN 1692 504-, Kupfer-Aluminium-Legierung 508-, Kupfer-Nickel-Legierung 509-, Kupfer-Zink-Legierung 506-, Kupfer-Zinn-Legierung 507DIN EN 1668 348, 477DIN EN 1706 523, 524DIN EN 1753 541, 542DIN EN 1982 499DIN EN 10020 124, 125DIN EN 10025-2 168, 169, 170, 171, 238, 266 368, 374, 400DIN EN 10025-5 90, 185DIN EN 10028-3 185, 187, 407DIN EN 10028-4 181, 183, 407DIN EN 10028-5 195DIN EN 10028-6 197DIN EN 10055 185DIN EN 10083 172, 173, 174, 197, 396, 368DIN EN 10084 176, 368DIN EN 10088 210DIN EN 10088 181DIN EN 10113-3 185, 378, 400DIN EN 10113 T1, T2 185DIN EN 10113 T2, T3 186DIN EN 10155, s. a. DIN EN 10025-5 90DIN EN 10164 386DIN EN 10208 195DIN EN 10291 178DIN EN 10216-2 368, 400DIN EN 10216-4 407
Sachwortverzeichnis 587
DIN EN 10217-2 368DIN EN 12072 418, 421, 423DIN EN 12534 368DIN EN 12536 477DIN EN 14295 368DIN EN 25817 281DIN EN ISO 365DIN EN ISO 2639 175DIN EN ISO 3690 339, 342, 388DIN EN ISO 6520 266, 568DIN EN ISO 6847 365DIN EN ISO 8249 415DIN EN ISO 12944 106DIN EN ISO 13916 324DIN EN ISO 14172 520DIN EN ISO 14372 342DIN V 1738 529, 530Dissoziationsgrad 65Dopplung 132Drahtelektrode-, MSG-Schweißen 355-, UP-Schweißen 357Dreistoffsystem 59-, ebene Darstellung 61-, Fe-Cr-C 486-, Fe-Ni-Cr 428-, Isothermischer Schnitt 61-, quasibinärer Schnitt 62-, Schmelzflächenprojektion 61-, Vertikalschnitt 62Drop-Weight-Test, s. FallgewichtsversuchDruckelektroschlackeumschmelzen 218Drucktheorie (Wasserstoff) 257Dualphasen-Stahl 195, 310Ductility Dip Cracking (DDC) 550Dugdale-Modell 582Duplexstahl, s. a. aust.-ferritischer Stahl 212, 434Durchbruchpotential (Ed) 82DVS-Merkblatt 0504 339DVS-Merkblatt 0705 282, 284DVS-Merkblatt 0944 342DVS-Merkblatt 0956 389DVS-Merkblatt 0907 366DVS-Merkblatt 1001 574
E
ebener Spannungszustand (ESZ) 263ebener Verzerrungszustand (EVZ) 263Edelgaskonfiguration 3Edelstahl, Definition 124Eigenkeim 25Eigenschaften, mechanische-, strukturempfindliche 7-, strukturunempfindliche 7Eigenspannung-, der Mehrachsigkeitsgrad 260-, dreiachsige 260-, in der Schweißverbindung 259
-, mehrachsige 138-, Räumlichkeit der 260-, Verteilung 248Einbrand 271Einhärtbarkeit 141Einhärtungstiefe (ET) 35Einkristall 12Einlagerungsmischkristall (EMK) 46, 48Einsatzhärtungstiefe (Eht) 175Einsatzstahl 171, 175, 368Einschluß, im Stahl 129, 130, 272Eisen-Gußwerkstoffe 450Eisen-Kohlenstoff-Schaubild (EKS) 133ELC-Stahl 208-, Schweißen 432elektrochemische Korrosion 65elektrochemische Polarisation 77-, Aktivierungspolarisation 77-, Konzentrationspolarisation 77-, Widerstandspolarisation 77elektrolytische Doppelschicht 66Elektron 2Elektrostahl-Verfahren 128Elementarzelle 6ELI-Stahl 208Emaillierung 107Endkrater 270Endkraterriß 270Enthalpie, freie 24Entkohlen 111Entmischung-, einphasige 47-, Seigerung, s. a. Kristallseigerung 132Entzinken 87-, des Messings 507epitaktische Erstarrung 296Erholung 42Erosion(skorrosion) 94Erschmelzungsverfahren 125Erstarrung(sform), s. a. Kristallisation-, Dendrit 26, 29-, ebene 27, 296, 257, 557-, epitaktische 296-, gerichtete 28, 450-, Stengelkristall 298-, Zelle 29Erstarrungsriß, s. HeißrißErst-Bezugskörper 482Eutektikum 52-, binäres 60-, entartetes 57-, ternäres 60eutektische Rinne 60Eutektoid 135Extended Ferrit Nummer (EFN), s. a. Ferrit-Nummer 436
galvanisches Element 67Gase-, Diffusionskoeffizient (D) 268-, im Aluminium 522, 533-, im Kupfer 501-, im Nickel(-legierung) 516-, feinkörniges (FK-Stahl) 378-, im Schweißgut (Eisenwerkstoffe) 268-, im Stahl 226