Einflussfaktoren auf das Sprödbruchverhalten im Fallgewichtsversuch

  • Influencing factors on the brittle fracture behavior in Drop Weight Tear Test

Scholl, Sebastian; Bleck, Wolfgang (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2014)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Kurzfassung

Der Fallgewichtsversuch gemäß dem Battelle Memorial Institute (Battelle Drop Weight Tear Test) bildet eine standardisierte Grundlage zur Bewertung des Rissauffangvermögens von Linepipe- Stählen. Ähnlich dem Kerbschlagbiegeversuch wird eine vorgekerbte Probe mit einer beschwerten Finne durchschlagen. Das Rissauffangvermögen wird anschließend indirekt über den Scherbruchanteil der Bruchfläche bewertet. Die gegenüber der Kerbschlagprobe extreme Dimensionierung der Prüfung, in Kombination mit den hohen Zähigkeiten moderner Linepipe-Stähle, drängt das Prüfverfahren allerdings zunehmend an die Grenzen der Anwendbarkeit. Die Bruchfläche zeigt spröde Flächen in dem durch den Hammer verfestigten Bereich, die bei der vorgeschriebenen stabilen Rissausbreitung nicht auftreten können (inverser Bruch). Auch das Erscheinungsbild einer mit der Norm konformen Bruchfläche wirft Zweifel auf: So begünstigen beispielsweise die spröden Bruchaufreißungen parallel zur Walzebene (Separations) den Scherbruchanteil, setzen allerdings die Energie herab. Um die Sicherheit von Gasfernleitungen weiterhin garantieren zu können, müssen die Vorgänge im Fallgewichtsversuch genau durchleuchtet werden. Bei der Probenfertigung und -prüfung leistet jede Komponente, beginnend bei der Kerbeinbringung bis hin zur Geschwindigkeit des Fallgewichts, ihren Beitrag zum letztlich zu bewertenden Scherbruchanteil. Die durchgeführten Versuche zeigen, dass die spröde Initiierung, die Separations und der inverse Bruch insbesondere von der Probendicke, der Kerbgeometrie und der Schlagenergie abhängig sind. Mit zunehmender Probendicke steigt einerseits die Übergangstemperatur und auf der anderen Seite nimmt die Anzahl an Separations zu. Die häufig geforderten alternativen Kerbformen zur Vermeidung des inversen Bruchs scheinen nicht zielführend zu sein. Die Wahrscheinlichkeit einer spröden Initiierung steigt bei schärferen Kerben, allerdings kann auch bei sprödem Rissstart der inverse Bruch nicht vermieden werden. Die Erhöhung der Schlagenergie führt zu einer größeren spröden Fläche im Bereich des Hammeraufpralls. Anhand eines umfangreichen Datensatzes, der mit 57 Übergangskurven in Kombination mit jeweils zwei EBSD-Messungen eine robuste Modellierung ermöglicht, leitet sich die Erkenntnis ab, dass der Scherbruchanteil durch die gezielte Einstellung der Mikrostruktur erhöht werden kann. Lattenförmige Strukturen hoher Versetzungsdichte, wie oberer oder unterer Bainit, wirken sich nachteilig auf das Prüfergebnis aus. Zusätzlich sollten die Korngrenzen eine gewisse Missorientierung übersteigen (Großwinkelkorngrenzen), damit der transkristalline Rissfortschritt behindert wird. Ebenfalls wurde ein Einfluss der Textur gefunden. Die Lage der Hauptspaltbruchebene {100} entscheidet über die Ausprägung von Separations und inversem Bruch. Während die {100}<011>-Texturkomponente schon häufig mit den Separations in Verbindung gebracht wurde, konnte die Ausprägung des inversen Bruchs erstmalig an die Intensität der {211}<01-1>-Komponente geknüpft werden. Die Untersuchungen zeigen, dass der BDWT-Test, der inzwischen zu einer zentralen Problematik bei der Entwicklung hochzäher Linepipe-Stähle geworden ist, von Prüfung, Gefüge und Textur beeinflusst wird. Einerseits bedarf die Prüfmethodik eines überarbeiteten Regelwerks um den Einfluss der Prüfbedingungen zu minimieren und andererseits können gezielt einzelne Sprödbruchbereiche über die Generierung spezieller Mikrostrukturen reduziert werden.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Werkstofftechnik der Metalle und Institut für Eisenhüttenkunde [522110]
  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]

Identifikationsnummern