• No results found

Prof. Dr.-Ing. W. Bleck Prof. Dr.rer.nat. Dr.-Ing.e.h. W. Dahl Prof. Dr.-Ing. T. El Gammal Prof. Dr.-Ing. H.W. Gudenau Prof. Dr.-Ing. D. Senk Annette Johanna Pariser

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Prof. Dr.-Ing. W. Bleck Prof. Dr.rer.nat. Dr.-Ing.e.h. W. Dahl Prof. Dr.-Ing. T. El Gammal Prof. Dr.-Ing. H.W. Gudenau Prof. Dr.-Ing. D. Senk Annette Johanna Pariser"

Copied!
21
0
0

Bezig met laden.... (Bekijk nu de volledige tekst)

Hele tekst

(1)

Einfluss einer Kaltverformung auf die Zähigkeitseigenschaften der hochfesten Baustähle S460M, S690QL und S890QL

Von der Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen

zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften

genehmigte Dissertation

vorgelegt vonDiplom-Ingenieurin

Annette Johanna Pariser aus Leipzig

Berichter: Univ.-Prof. Dr.rer.nat. Dr.-Ing.e.h. Winfried Dahl Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bleck

Tag der mündlichen Prüfung: 20. Februar 2006

(2)
(3)

Shaker Verlag D 82 (Diss. RWTH Aachen) Berichte aus dem

Institut für Eisenhüttenkunde IEHK

RWTH Aachen

Herausgeber:

Prof. Dr.-Ing. W. Bleck Prof. Dr.rer.nat. Dr.-Ing.e.h. W. Dahl Prof. Dr.-Ing. T. El Gammal Prof. Dr.-Ing. H.W. Gudenau Prof. Dr.-Ing. D. Senk Annette Johanna Pariser

Einfluss einer Kaltverformung auf die Zähigkeitseigenschaften der hochfesten Baustähle S460M, S690QL und S890QL

Band 6/2006

(4)

Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek

Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Copyright Shaker Verlag 2006

Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungs- anlagen und der Übersetzung, vorbehalten.

Printed in Germany.

ISBN-10: 3-8322-5302-5 ISBN-13: 978-3-8322-5302-8 ISSN 0943-4631

Shaker Verlag GmbH • Postfach 101818 • 52018 Aachen Telefon: 02407 / 95 96 - 0 • Telefax: 02407 / 95 96 - 9 Internet: www.shaker.de • E-Mail: info@shaker.de

(5)

Es ist nicht genug zu wissen, man muss es auch anwenden.

Es ist nicht genug zu wollen, man muss es auch tun.

Johann Wolfgang von Goethe

(6)
(7)

Die vorliegende Dissertation entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Eisenhüttenkunde der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen. Ich werde mich stets gerne an die dort verbrachte Zeit erinnern, die in fachlicher und menschlicher Hinsicht sehr lehrreich war.

Herrn Prof. Dr.rer.nat. Dr.-Ing.e.h. Winfried Dahl danke ich ganz herzlich für die wissenschaftliche Betreuung, für sein Interesse an meiner Arbeit, den vielen Ideen und Anregungen, die mir sehr wertvoll waren, sowie für die stete Bereitschaft zur Diskussion.

Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bleck danke ich für das mir entgegengebrachte Vertrauen, für die gewährte Unterstützung und die Übernahme des Korreferates. Weiter möchte ich mich bedanken, dass es mir ermöglicht wurde sogar mit meinem Sohn in einem Büro mit Laufstall und Wickelplatz noch einmal am Institut zu arbeiten, um meine Arbeit abschließen zu können. Herrn Univ.-Prof. Dr.rer.nat. Rainer Telle sei gedankt für die Übernahme des Prüfungsvorsitzes.

Anerkennung gilt meinem Gruppenleiter der Arbeitsgruppe „Bruchmechanik und Bauteilsicherheit“ Dr.-Ing. Peter Langenberg, der mich fachlich und persönlich die vielen Jahre am Institut begleitet und mir immer den rechten Weg gezeigt hat.

Für die organisatorische Unterstützung meiner Tätigkeiten am Institut bin ich Dr.-Ing. Paul Splinter und Dr.-Ing. Götz Hessling sowie ihren Mitarbeiterinnen Nicole Olles und Gisela Tuwet zu Dank verpflichtet.

Bei Günter Leisten bedanke ich mich für die Hilfsbereitschaft in allen Fragen des täglichen Institutslebens.

Zum Gelingen meiner Arbeit hat das ganze Institut mit beigetragen. Angefangen bei der mechanischen und feinmechanischen Werkstatt, über die Werkstoffprüfung, der Metallographie mit dem Photolabor, der Chemie und natürlich auch der Rechnergruppe, möchte ich allen Mitarbeitern für die langjährige und immer sehr gute und engagierte Zusammenarbeit meinen Dank aussprechen. Hervorheben möchte ich in diesem Zusammenhang die servohydraulische Prüfabteilung mit Brigitte Klümper, Joseph Hasslinger, Erimar Schilberg, Horst Tschammer sowie Rainer Debye, die mit Ihrer Einsatzbereitschaft und ihren Ideen mir immer mit Rat und Tat zur Seite standen.

Eine große Hilfe war auch die langjährige, stets selbstständige und zuverlässige Mitarbeit meiner Hiwis Dipl.-Ing. Hubertus Lüder, Dipl.-Ing. Thilo Wübbels, Dipl.-Ing. Shengyong Du und Dipl.-Ing. Alexandra Hirsch. Ich hoffe andere Tätigkeiten im Zusammenhang mit unzähligen interessanten Industrieaufträgen und das besondere freundschaftliche Arbeitsklima waren Entschädigung für die vielen tristen Stunden beim Einschwingen der Bruchmechanikproben.

Die Studienarbeiten von Dipl.-Ing. Tobias Hopfgarten, Dipl.-Ing. Thilo Wübbels, Dipl.-Ing. Alexandra Hirsch, Dipl.-Ing. Stefan Zimmermann und Dipl.-Ing. Ursula Maiworm waren eine große Unterstützung, um meine Arbeit voranzutreiben. Mein

(8)

besonderer Dank gilt dabei Dipl.-Ing. Stefan Zimmermann, der einerseits mit seiner Diplomarbeit einen sehr wichtigen Beitrag für meine Arbeit lieferte und andererseits mich in meiner Mutterschutz- und Elternzeit würdig am Institut vertreten hat, wodurch der Abschluss dieser Arbeit überhaupt erst möglich gemacht wurde.

Dr.-Ing. Jana Heyer und Dipl.-Ing. Aida Nonn danke ich für die Anfertigung von den FE-Simulationen.

Die vielen persönlichen Gespräche aber auch fachlichen Diskussionen im Institut oder in den Mittagspausen in der Mensa bei einem anschließenden Milchkaffee in der Molkerei oder im Café Madrid zusammen mit meinen Kollegen und Freunden Dr.-Ing. Jana Heyer, Dr.-Ing. Walter Kaluza, Dr.-Ing. Jörg Buchholz, Dr.-Ing. Irfan Budak, Dr.-Ing. Thorsten Böllinghaus, Dr.-Ing. Mariluise Andrich, Dr.-Ing. Claudia Kuckertz und Dipl.-Ing. Aida Nonn, waren mehr als eine Bereicherung zum Arbeitsalltag. Dabei war die langjährige Büroteilung mit Dr.-Ing. Irfan Budak und später mit Dipl.-Ing. Michael Blumbach in Raum 22 das beste was mir in dieser Hinsicht passieren konnte. Wir hatten einfach auch Spaß an der Arbeit.

Monika Büscher danke ich für die Überprüfung meiner Anwendung der neuen Rechtschreibungs- und Zeichensetzungsregeln.

Meinem Vater Dr.-Ing. Rolf Mannsfeld bin ich dankbar für das Durchlesen meiner Arbeit und die guten fachlichen Anmerkungen aus der Sicht eines Bauingenieurs.

Für meine Mutter Barbara Berberich ist es schwer die Anerkennung, die sie verdient, in Worte zu fassen. Sie war mein ganzes Leben immer für mich da und hat sicherlich manche Entbehrungen gerade auch als Alleinerziehende auf sich genommen. Ohne sie wäre all das nicht möglich gewesen. Ihr gilt mein größter Dank.

Meinem Mann Dr.-Ing. Gerhard Pariser danke ich ganz besonders für die mentale Unterstützung beim Zusammenschreiben dieser Arbeit. Er war meine große Stütze, da er immer an mich glaubte. Dass wir beide gleichzeitig mit einem Kleinkind unsere Doktorarbeiten zusammengeschrieben haben, war für unser Familienleben sicherlich eine außergewöhnliche Situation. Die Urlaubsreisen und die Freizeitaktivitäten, die wir in dieser Zeit nicht machen konnten, haben mir keine Sekunde gefehlt, denn wir hatten ja uns drei.

Unser Sohn Friedrich ist seine ersten zwei Lebensjahre in der Eisenhüttenkunde groß geworden was dazu führte, dass einer seiner ersten Sätze „Ich habe leider keine Zeit, ich muss an meiner Doktorarbeit schreiben“ war. Unser Glück war, dass er sich trotz manchmal gestresster Eltern prächtig entwickelte. Seine Existenz war großer Ansporn und Herausforderung für mich, diese Arbeit fertigzustellen.

Wolfenbüttel, Juni 2006

(9)

Meiner Familie

(10)
(11)

Kurzzusammenfassung / Abstract

In Folge einer Kaltumformung von Blechen und Walzprofilen verändern sich die mechanischen Eigenschaften im Vergleich zum Ausgangszustand dahingehend, dass es zu einer Erhöhung der Festigkeit bei gleichzeitiger Abnahme der Zähigkeit kommt, wodurch die Integrität der Bauteile nicht mehr gewährleistet werden kann. Mit der EN 1993-1-10 wurde für den Stahlbau ein auf Bruchmechanik basierendes Sprödbruch- sicherheitskonzept eingeführt, das bisher diesen Einfluss einer Kaltverformung noch nicht berücksichtigt.

Hierzu wurden drei hochfeste Feinkornbaustähle, ein TM-Stahl (S460M) und zwei Vergütungsstähle (S690QL und S890QL), für verschiedene gestauchte oder gereckte Kaltverformungszustände hinsichtlich der Veränderung der mechanischen Eigen- schaften untersucht. Bei allen Stählen führt eine Kaltverformung zu einem Anstieg in der Härte und in der Festigkeit. Wohingegen höhere Verformungsgrade in einer Verschlechterung der Zähigkeitseigenschaften mit Ausnahme des gereckten Zustandes des S460M resultieren. Des Weiteren wurde auch der Einfluss einer Reckalterung untersucht, wie sie zum Beispiel durch das Schweißen von zuvor kaltverformten Material in der Wärmeeinflusszone stattfindet, was eine weitere Versprödung zur Folge hat.

Darüber hinaus wurden zur Validierung der Ergebnisse Versuche an bauteilähnlichen Großzugproben durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Arbeit fließen in einen ersten Ansatz für die Berücksichtigung der Kaltverformung innerhalb des Sicherheits- konzeptes.

Cold deformation of plates and beams leads to changes in mechanical properties in comparison to the base material, which results in higher strength and lower toughness, so that the integrity of the component cannot be guaranteed. Within the EN 1993-1-10 a fracture mechanics based safety concept for avoidance of brittle fracture for steel construction was established, which does not yet consider the effect of cold deformation.

Three structural fine grained high strength steels, one TM-steel (S460M) and two QT- Steels (S690QL and S890QL), have been investigated in the cold deformed conditions cold compressed and cold stretched in order to quantify the changes in the mechanical properties. For all steel grades cold deformation leads to increasing hardness and strength. Whereas higher deformation degrees result in decreasing toughness properties with the exception of S460M in cold stretched condition. Additionally the influence of strain ageing was investigated, as it occurs during welding of cold formed material in the heat affected zone, which leads to an additional embrittlement.

In order to validate the results cold formed component like large scale tensile tests have been carried out. From the above findings a first proposal for cold deformation within the safety concept was suggested.

(12)
(13)

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung... 1

2 Literaturübersicht... 3

2.1 Hochfeste Feinkornbaustähle... 3

2.1.1 Thermomechanisch gewalzte Stähle... 7

2.1.2 Vergütete Stähle... 10

2.2 Einfluss einer Kaltverformung auf die mechanischen Eigenschaften ... 11

2.2.1 Festigkeit... 12

2.2.2 Härte... 15

2.2.3 Kerbschlagzähigkeit... 16

2.2.4 Bruchzähigkeit ... 18

2.2.5 Alterungsverhalten... 19

2.3 Grundlagen der Zähigkeitscharakterisierung... 22

2.3.1 Bruchmechanismen und Brucharten ... 23

2.3.2 Beurteilung des Bruchverhaltens mit Hilfe von Übergangstemperaturen .. 26

2.3.3 Verfahren zur Prüfung des Zähigkeitsverhaltens... 28

2.4 Statistische Methoden zur Zähigkeitscharakterisierung ... 34

2.4.1 Grundlagen der Statistik ... 35

2.4.2 Statistische Untersuchung von Kerbschlagarbeitswerten ... 42

2.4.3 Statistische Untersuchung von Bruchmechanikwerten (Mastercurve- Konzept)... 44

2.5 Anwendung von Sicherheitskonzepten... 46

2.5.1 CEGB-R6-Verfahren ... 47

2.5.2 EN 1993-1-10 (Eurocode 3, Anhang C) ... 50

2.5.3 SINTAP ... 53

3 Aufgabenstellung ... 59

4 Experimentelle Untersuchungen... 61

4.1 Untersuchte Stähle ... 61

4.2 Chemische Zusammensetzung... 63

4.3 Gefügeanalyse... 64

(14)

4.4 Kaltverformung ...68

4.4.1 Stauchen der Kleinproben ...69

4.4.2 Stauchen der Großproben...71

4.4.3 Recken der Großplatten...73

4.5 Reckalterung...75

4.6 Härtemessung ...76

4.7 Zugversuche ...77

4.8 Kerbschlagbiegeversuche...78

4.9 Bruchmechanikversuche ...80

4.10 Großzugversuche...84

5 Ergebnisse ...91

5.1 Ergebnisse an Kleinproben...91

5.1.1 Härtemessungen ...91

5.1.2 Zugversuche ...92

5.1.3 Kerbschlagbiegeversuche...98

5.1.4 Bruchmechanikversuche ...103

5.1.5 Übergangstemperaturkorrelation...108

5.1.6 Reckalterung...109

5.2 Großzugversuche...115

6 Gesamtdiskussion und Schlussfolgerungen ...127

7 Zusammenfassung...139

8 Literaturverzeichnis...143

9 Anhang – Tabellen und Bilder ...151

(15)

Symbole, Indizes und Abkürzungen

Lateinische Symbole

Symbol Einheit Erläuterung

a mm Risstiefe, Ermüdungsrisslänge

Δa mm Stabiles Risswachstum

a0 mm Anfangsrisslänge

A % 1.) Bruchdehnung

2.) Konstante bei Harrison

Ag % Gleichmaßdehnung

Av,KV, E J Kerbschlagarbeit

Av,max J Maximale Kerbschlagarbeit

b 1.) Burgersvektor

2.) Exponent der 3 parametrigen Weilbullverteilung im MCK

b0 mm Probenligament (W-a0)

B mm Probendicke

Bx mm Tatsächliche Probendicke im MCK

B1T mm Probe mit einer Dicke von 1 T, d.h. 1 Inch = 25,4mm

C 1.) Konstante bei Wallin

2.) Konstante bei Harrison

3.) Konstante im MCK zur Berechnung der Prüftemperatur

ds Bogenelement des IntegrationswegsΓ

D Konstante bei Harrison

E MPa Elastizitätsmodul

f mm Durchbiegung

f(a/W) Korrekturfunktion für Probengeometrie

f(x) Dichtefunktion

F kN Kraft

F(x) Verteilungsfunktion

G Schubmodul

(16)

HV Härtewert nach Vickers

J N/mm J-Integral

K MPa√m Spannungsintensitätsfaktor

KJc MPa√m K berechnet aus Jc-Werten

KJc(limit) MPa√m Gültigkeitsgrenze für KJc-Werte im MCK

KJc(med) MPa√m Mastercurve mit 50% Bruchwahrscheinlichkeit im MCK

KJc(5%) MPa√m Lower Bound mit 5% Bruchwahrscheinlichkeit im MCK

KJc(95%) MPa√m Upper Bound mit 95% Bruchwahrscheinlichkeit im MCK

Kmat MPa√m Bruchmechanische Beanspruchung oder Zähigkeitsanforderung

KR Ordinatenwert des FAD

KV J Kerbschlagarbeit nach Wallin

KIc MPa√m Risszähigkeit

K0 MPa√m Skalierungsparameter im MCK

LR Abszissenwert des FAD

LSE J Tieflagenwerte der Kerbschlagarbeit (Lower Shelf Energy)

M Verteilungsparameter der Weibullverteilung

MK Faktor für aufgeschweißte Konstruktionen

N Anzahl der Messwerte

N Anzahl

P Wahrscheinlichkeit

Pf Versagenswahrscheinlichkeit im Mastercurvekonzept

R 1.) Rotationsfaktor

2.) Anzahl gültiger KIc-Werte

ReH MPa Obere Streckgrenze

ReL MPa Untere Streckgrenze

Rm MPa Zugfestigkeit

Rp0,2 MPa 0,2%-Dehngrenze

S Standardabweichung

s² Varianz

T mm Blechdicke

(17)

Ta °C Temperatur bei der 100% Gleitbruch vorliegt TEd °C Temperatur der Einwirkungsseite

Tgy °C Sprödbruchübergangstemperatur

Ti °C Übergangstemperatur

Tn Auf das Bogenelement wirkender Spannungstensor

Tm °C Temperatur bei maximal ertragbarer Last Tmin °C Niedrigste Lufttemperatur

ΔTa °C Additives Sicherheitselement

TCd °C Werkstoffwiderstand ausgedrückt als Temperatur ΔTCF °C Einfluss einer Kaltverformung

ΔT °C Dehnrateneinfluss

ΔTσ °C Einfluss von Spannungssituation, Fehler und Probengeometrie

ΔTr °C Strahlungseinfluss

TIc °C Temperatur bis wohin die LEBM gültig ist T0,T100,TK100 °C Referenztemperatur aus Mastercurve T27J °C Kerbschlagarbeit-Übergangstemperatur

T50 Konstante bei Wallin

u Verschiebungsvektor

Uv J/m Potenzielle Energie

US J Hochlagenwerte der Kerbschlagarbeit nach Wallin USE J Hochlagenwerte der Kerbschlagarbeit (Upper Shelf Energy)

v Verschiebung

vpl mm Plastischer Anteil der Rissöffnungsverschiebung

W mm 1.) Probenbreite

2.) Verformungsenergiedichte

x 1.) Rissausbreitungsrichtung

2.) Messwert

xo Skalierungsparameter der Weibullverteilung

xu Lageparameter der Weibullverteilung

x Arithmetisches Mittel

X Merkmal oder statistische Variable

(18)

Y Korrekturfunktion nach Murakami

Y Richtung senkrecht zum Rissufer

Z % 1.) Brucheinschnürung

2.) Schneidenabstand

griechische Symbole

Symbol Einheit Erläuterung

β Konstante

δ mm Rissspitzenöffnung

ε % Dehnung

εij Dehnungstensor

εref % Referenzdehnung im R6-Verfahren Γ mm Integrationsweg um die Rissspitze

ρ cm-2 1.) Versetzungsdichte

2.) Faktor für Eigenspannungen im Eurocode 3

 Erwartungswert (Mittelwert) in der induktiven Statistik

ν Querkontraktionszahl

σ MPa 1.) Spannung

2.) Standardabweichung in der induktiven Statistik σ2 Varianz in der induktiven Statistik

σapplied MPa Äußere Beanspruchung

σBruch MPa Bruchspannung

σbr MPa Bruttospannung

σEd MPa Spannung der Einwirkungsseite im Eurocode 3 σf* MPa Werkstoffspezifische Spaltbruchspannung σFließen,σfl MPa Fließspannung

σgy MPa Plastische Grenzspannung im R6-Verfahren

σij Spannungstensor

(19)

σn MPa Nettospannung

σRef MPa Referenzspannung im R6-Verfahren

σv MPa Fließgrenze

σys MPa Steckgrenze bei Prüftemperatur im Mastercurvekonzept

Θ ° Winkel um die Rissspitze

Indizes

Index Erläuterung I, II, III Rissöffnungsmodi a Vollständiger Gleitbruch

appl Bauteilkenngröße, angewandt (engl.: applied)

br Brutto

c 1.) Kritisch (critical) 2.) Spaltbruch (cleavage)

e elastisch

exp Experimentell g Allgemein, general

gy General yield

I Rissinitiierung

max maximal

min minimal

n netto

pl Plastisch

u Übergangswert von Spalt- zu Gleitbruch

y Fließen

0,2 0,2mm Risswachstum

(20)

Abkürzungen

Abkürzung Erläuterung

ASTM American Society for Testing and Materials

BS British Standard

CC Cold Compressed (gestaucht)

CD Cold Deformation

CDF Crack Driving Force

CEGB Central Electricity Generating Board

CS Cold Stretched (gereckt)

CTOD Crack Tip Opening Displacement DECT Double Edged Cracked Tension DIN Deutsches Institut für Normung

DMS Dehnungsmessstreifen

EDZ Ebener Dehnungszustand

EN Euronorm

EPBM Elastsich-Plastische Bruchmechanik

ESZ Ebener Spannungszustand

ETM Engineering Treatment Modell

FAD Failure-Assessment-Diagramm

FE Finite Elemente

FEM Finite-Elemente-Methode

Kfz Kubisch-flächenzentriert

krz Kubisch-raumzentriert

L Longitudinal

LEBM Linear-Elastische Bruchmechanik

MCK Mastercurve-Konzept

MML Maximum-Likelihood-Methode

QT Quenched and Tempered

SA Strain Ageing

(21)

SINTAP Structural Integrity Assessment Procedures

T Transverse

TM Thermomechanisch

TMCP Thermomechanically Controlled Rolling UCI Ultrasonic Contact Impedance

WLT Weakest-Link-Therorie

WR Walzrichtung

Referenties

GERELATEERDE DOCUMENTEN

Therefore, in Chapter 3 the phenology of the above mentioned pest insects and their main natural enemies in Brussels sprouts is studied for three vegetable

Het zijn eerder ‘wicked problems’ dan enkelvoudige puzzels die zich met simpele receptuur laten oplossen (Weijers, 2011)2. Als we die kenmerkende aard van bestuurlijke opgaven

Zowel (zoals verwacht) tussen de private en de publieke sector, maar ook binnen deze sectoren, tussen lange- en korte termijn, tussen economische en sociale keuzes en zelfs

De auditcommissie gaat de dialoog aan met de accountant over relevante keuzes van de accountant in zijn controle en keurt deze goed, wordt door 74% van de commissarissen als groot

U krijgt tools en vergroot daarmee uw inzicht om te kunnen bijdrage aan financiële gerelateerde onderwerpen die van belang zijn voor uw organisatie.

Deze protocollen en documenten zijn te vinden op de Dunamare website, de website van de school en op de interne schijf in de map protocollen.. In dit plan wordt gesproken

Alle inspanningen zijn erop gericht om het langlopende proces rond deze jaarrekening zo spoedig mogelijk af te

Deze R7 fotoreceptor cel is voor een fruitvlieg noodzakelijk voor zicht in UV-licht: op deze wijze kunnen mutanten in deze receptor, of in noodzakelijke componenten van de