Evaluation of the lower shelf toughness properties of high strength steels using fracture and damage mechanics approaches

Golisch, Georg; Bleck, Wolfgang Peter (Thesis advisor); Münstermann, Sebastian (Thesis advisor); Langenberg, Peter (Thesis advisor)

Aachen (2018)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Zähigkeitseigenschaften ferritischer und bainitischer Baustähle im unteren Übergangsbereich der Zähigkeit sowie deren Bemessung mittels bruchmechanischer und schädigungsmechanischer Ansätze. In einem ersten Schritt wird auf das genormte Konzept des Eurocode 3 1-10 zurückgegriffen, um es für die Anwendung von schmalen Schweißnähten zu überprüfen, wie im Fall von schlanken Elektronenstrahlschweißnähten. Weiterhin wird der analytische Ansatz des Eurocode 3 1-10 hinsichtlich seiner Anwendbarkeit anhand numerischer Mismatchanalysen geprüft, um den Einfluss des Festigkeitsunterschieds auf die Zähigkeitsanforderungen zu berücksichtigen. Als Anwendungsbeispiel wird die Gründungsstruktur einer Offshore Windenergieanlage herangezogen, deren Orbitalnaht elektronenstrahlgeschweißt ist. Die Bestimmung der Zähigkeitsanforderungen erfolgt an einem Defekt in der Schweißnaht. Als Untersuchungswerkstoffe werden die EB Schweißnähte zweier Stahlsorten S355ML und S460N untersucht. Diese Werkstoffdaten gehen in die Zähigkeitsbemessung mit ein, um sie mit den erforderlichen Kennwerten für den unteren Übergangsbereich zu vergleichen, T27J, req. In einem zweiten Schritt wird ein schädigungsmechanisches Modell zur Bestimmung des unteren Übergangsbereichs der Zähigkeit entwickelt. Durch den Einbezug lokaler Größen in die Zähigkeitsbemessung kann beispielsweise eine verbesserte Ausnutzung der Materialzähigkeit erzielt werden. Das Modell beruht auf einem phänomenologischen Ansatz, welcher auf einer Kombination eines dehnungs- und eines spannungsbasierten Kriteriums basiert. Das Modell wird vorerst entwickelt, wobei die grundlegenden Mechanismen der Spaltbruchauslösung in die Betrachtung mit einbezogen werden. Das Modell wird an einer Stahlsorte S460N kalibriert, wobei die Einflüsse von Temperatur, Dehnrate, Spannnungszustand und Streuung der Bruchereignisse im unteren Übergangsbereich einbezogen sind. Während die Kalibrierung von Temperatur und Dehnrate an Rundzugproben erfolgen kann, bedarf die Beschreibung der Spannungszustandseinflüsse einer Variation an Proben. Hierfür werden drei Geometrien mit ebenem Dehnungszustand und drei Kerbzuggeometrien mit verschiedenen Kerbradien geprüft. Um Spaltbruch auszulösen wird die Kalibrierung des Spaltbruchmodell hinsichtlich des Spannnungszustandes im flüssigen Stickstoff durchgeführt. Weiterhin werden jeweils 15 Proben pro Geometrie verwendet, um die Streuung der Ergebnisse zu berücksichtigen. Das Spaltbruchmodell wird anschließend am instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch validiert. Hierfür werden Simulationen im Temperaturbereich des unteren Übergangsbereichs der Zähigkeit durchgeführt. Da bruchmechanische Konzepte bereits ihren Weg in die Normen gefunden haben, sind sie wohl akzeptierte Bemessungsmethoden für Materialanforderungen in Stahlkonstruktionen. Folglich deckt eine Bemessung der Materialanforderungen auf Basis der Bruchmechanik bereits einen Großteil der gängigen Stahlsorten sowie Geometrien von Stahlkonstruktionen ab. Dabei tritt hauptsächlich dann Bedarf für weitere Untersuchungen auf, wenn neue Stahlsorten oder aber Prozesse, wie beispielsweise das Elektronenstrahlschweißen, validiert werden sollen, um sie in die Normen mit einbeziehen zu können. Während diese Arbeit versucht, den Eurocode 3 1-10 für die Bemessung von Zähigkeitsanforderungen für Elektronenstrahlschweißnähten zu erweitern, wird zusätzlich die Schädigungsmechanik verwendet, um ein Zähigkeitsmodell für die Tieflage zu entwickeln. Die Entwicklung eines solchen Modells zielt auf die letztliche Bemessung von Zähigkeitsanforderungen auf Basis der Schädigungsmechanik ab, welche gegenüber bruchmechanischer Ansätze weniger konservative Anforderungen bemessen kann.

Einrichtungen

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

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