Ahrend, Eliane (2018)
Kurzzeitfestigkeit von Schweißverbindungen: Ein Verfahren zur Parameteridentifikation lokaler zyklischer Spannungs-Dehnungs-Kurven bei Werkstoffinhomogenitäten auf Basis der digitalen Bildkorrelation.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Verhalten von Schweißverbindungen unter zyklisch elastisch-plastischer Beanspruchung und den maßgebenden Einflussgrößen auf deren Lebensdauer. Darüber war bislang sehr wenig bekannt. So stützen sich aktuell im Kurzzeitfestigkeitsbereich anwendbare Regelwerke aus Mangel an belastbaren Daten überwiegend auf Erkenntnisse, die aus Untersuchungen im Langzeitfestigkeitsbereich gewonnen wurden. Insbesondere dem Einfluss der Werkstoffinhomogenität wurde bisher kaum Beachtung geschenkt. Im Sinne einer sowohl wirtschaftlichen als auch sicheren Auslegung der Bauteile, sollten jedoch alle relevanten Einflussgrößen im Bemessungskonzept zutreffend erfasst werden. An Proben stumpfgeschweißter Rohre aus austenitischem Werkstoff, die im realen Einsatz hohen zyklischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, wurden umfangreiche werkstoffkundliche Untersuchungen vorgenommen sowie Kurzzeitfestigkeitsversuche durchgeführt. Während der Versuche wurden Dehnungsfelder im Nahtbereich optisch gemessen. Besonders auffällig war, dass bei hoher zyklischer Belastung die Anrisse an Stellen im Grundwerkstoff auftraten, an denen die höchsten lokalen Dehnungsamplituden gemessen wurden. Die Nahtkerbe spielt hier somit eine untergeordnete Rolle. Zur Erfassung der Werkstoffinhomogenität wurde ein Verfahren entwickelt, das anhand der gemessenen Dehnungen lokale zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurven bestimmen kann. Die Parameteridentifikation erfolgt vollautomatisiert unter Einsatz von Finite-Elemente-Simulationen. Innerhalb von fünf bis zehn Iterationen können mehrere hundert lokale zyklische Werkstoffparameter identifiziert werden. Zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurven können nun so lokal bestimmt werden wie die Dehnungen in einem auf Basis der digitalen Bildkorrelation gemessenen Dehnungsfeld. Zonen unterschiedlicher Festigkeit müssen nicht im Vorhinein bekannt sein. Nachdem die Werkstoffinhomogenität in der Simulation berücksichtigt wurde, konnten Dehnungsamplituden realitätsnah berechnet, Versagensorte an der richtigen Stelle indiziert und Lebensdauern anhand der Werkstoff-Wöhlerlinie des Grundwerkstoffs zutreffend ermittelt werden. Durch die Anwendung des Verfahrens konnte eine deutliche Korrelation zwischen dem zyklischen Festigkeitskennwert Rp0,2' und der Härte aufgezeigt werden. Aus der Literatur bekannte Korrelationsfunktionen eigneten sich jedoch nicht zur Abschätzung der zyklischen Werkstoffkennwerte in durch den Schweißprozess stark verfestigten Bereichen. Deshalb wurde eine neue Abschätzformel entwickelt, die für vergleichbare Schweißverbindungen angewendet werden kann. Mithilfe des Verfahrens lässt sich auch zyklisches Ver- und Entfestigungsverhalten beobachten. In Einstufen-Versuchen zeigten die untersuchten Nähte überwiegend zyklisch stabiles Verhalten, im Mehrstufen-Versuch konnte deutliche Entfestigung in den Bereichen um die Nahtwurzel festgestellt werden.

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