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
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
Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek
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Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006
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ISBN-10: 3-8322-5302-5 ISBN-13: 978-3-8322-5302-8 ISSN 0943-4631
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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
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
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
Meiner Familie
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
SINTAP Structural Integrity Assessment Procedures
T Transverse
TM Thermomechanisch
TMCP Thermomechanically Controlled Rolling UCI Ultrasonic Contact Impedance
WLT Weakest-Link-Therorie
WR Walzrichtung