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Untersuchungen zu den Auswirkungen einer Feuerverzinkung auf die Ermüdungsfestigkeit von Bauteilen aus Stahl

Kraemer, Anna-Katharina (2023)
Untersuchungen zu den Auswirkungen einer Feuerverzinkung auf die Ermüdungsfestigkeit von Bauteilen aus Stahl.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024073
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Feuerverzinkung ist ein langlebiger Korrosionsschutz für Bauteile aus Stahl und damit ein wichtiger Bestandteil, um die Sicherheit einer Konstruktion über die Lebensdauer zu gewährleisten. Ziel ist es, dieses Potential auch im Stahlund Verbundbrückenbau zu etablieren. Mit der bisherigen Forschung ist ein großer Schritt in diese Richtung bereits getan. Aus den rein phänomenologischen Betrachtungen konnte bisher eine Abminderung der Ermüdungsfestigkeit und eine Verschiebung zu niedrigeren Schwingspielzahlen abgeleitet werden. Es bleibt jedoch die Fragestellung nach den Ursachen für die Auswirkung der Feuerverzinkung auf die Ermüdungsfestigkeit von Bauteilen aus Stahl offen. Ziel dieser Arbeit ist, die Grundlage für ein mechanismenbasiertes Verständnis der schädigenden Wirkung der Feuerverzinkung unter ermüdender Beanspruchung zu schaffen. Der Fokus ist dazu auf die Bewertung der kritischen Rissbildung im Zinküberzug und im Stahlsubstrat gerichtet. Anhand von drei Schwerpunkten Kerbwirkung, Mikrostruktur und Bruchmechanik erfolgt eine systematische Identifikation und Bewertung zu den Schädigungsursachen. Neben experimentellen Ermüdungsversuchen dienen werkstoffanalytische Methoden und bruchmechanische Ansätze dazu, die mikrostrukturellen Einflüsse auf das Mikrorisswachstum zu erfassen. Als Ergebnis kann herausgestellt werden, dass die Feuerverzinkung als Korrosionsschutz geeignet ist, um im Brückenbau für sämtliche Kerbfälle eingesetzt zu werden. Die im Normentwurf vorgeschlagene Änderung der Steigung der Zeitfestigkeitsgeraden auf m = 5 erscheint zweckmäßig, sodass alle hier untersuchten Kerbfälle mit feuerverzinkten Bauteilen erfüllt werden können. Der Einfluss der Feuerverzinkung auf die Ermüdungsfestigkeit kann mit den durchgeführten Untersuchungen dennoch bestätigt und darüber hinaus differenzierter bewertet werden. Auf Basis der durchgeführten experimentellen Untersuchungen kann jetzt die Auswirkung der geometrischen Kerbe in Zusammenhang mit der Feuerverzinkung auf die Ermüdungsfestigkeit beurteilt werden. Bei niedrigen Überzugsdicken (< 100 μm) zeigt sich eine Kerbfallabhängigkeit. Die angewandten Methoden bestätigen, dass prozessbedingte thermische Schwindungsrisse im Zinküberzug nicht ursächlich sind für die schädigende Wirkung. Aufgrund der spröden Eigenschaften des Überzugs mit geringer Kohäsionsbruchfestigkeit kommt es zum frühen Risswachstum im Überzug. Eine Differenzierung der Rissbildung und des Risswachstums im Zinküberzug zwischen Normal- und Hochtemperaturverzinkung ist möglich. Aufgrund des verschiedenen Phasenaufbaus resultiert eine unterschiedliche Ausprägung und Verschiebung der Ermüdungsphasen, so dass bei Applikation des dünneren HTV-Überzugs die Rissbildung im Stahl später erfolgt als für Bauteile mit NTV-Überzug. Daraus resultiert eine tendenziell höhere Lebensdauer von HTVBauteilen. Die Ermüdungslebensdauerreduzierende Wirkung des Überzugs bleibt. Gegenüber einem unverzinkten Stahl sind die Phasen der Ermüdung bei feuerverzinkten Bauteilen aus Stahl zu früheren Lebensdauerzeitpunkten verschoben. Die Bewertung der Mikrostruktur des Zinküberzugs ermöglicht die Beschreibung schädigungsbildender Mechanismen. Daraus eröffnet sich die Möglichkeit, den Feuerverzinkungsüberzug zielgerichtet und beanspruchungsgerecht für Stahlbauteile als langlebigen und nachhaltigen Korrosionsschutz einzusetzen.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2023
Autor(en): Kraemer, Anna-Katharina
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Untersuchungen zu den Auswirkungen einer Feuerverzinkung auf die Ermüdungsfestigkeit von Bauteilen aus Stahl
Sprache: Deutsch
Referenten: Oechsner, Prof. Dr. Matthias ; Mittelstedt, Prof. Dr. Christian
Publikationsjahr: 2023
Ort: Darmstadt
Kollation: xviii, 181 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 25 April 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00024073
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24073
Kurzbeschreibung (Abstract):

Die Feuerverzinkung ist ein langlebiger Korrosionsschutz für Bauteile aus Stahl und damit ein wichtiger Bestandteil, um die Sicherheit einer Konstruktion über die Lebensdauer zu gewährleisten. Ziel ist es, dieses Potential auch im Stahlund Verbundbrückenbau zu etablieren. Mit der bisherigen Forschung ist ein großer Schritt in diese Richtung bereits getan. Aus den rein phänomenologischen Betrachtungen konnte bisher eine Abminderung der Ermüdungsfestigkeit und eine Verschiebung zu niedrigeren Schwingspielzahlen abgeleitet werden. Es bleibt jedoch die Fragestellung nach den Ursachen für die Auswirkung der Feuerverzinkung auf die Ermüdungsfestigkeit von Bauteilen aus Stahl offen. Ziel dieser Arbeit ist, die Grundlage für ein mechanismenbasiertes Verständnis der schädigenden Wirkung der Feuerverzinkung unter ermüdender Beanspruchung zu schaffen. Der Fokus ist dazu auf die Bewertung der kritischen Rissbildung im Zinküberzug und im Stahlsubstrat gerichtet. Anhand von drei Schwerpunkten Kerbwirkung, Mikrostruktur und Bruchmechanik erfolgt eine systematische Identifikation und Bewertung zu den Schädigungsursachen. Neben experimentellen Ermüdungsversuchen dienen werkstoffanalytische Methoden und bruchmechanische Ansätze dazu, die mikrostrukturellen Einflüsse auf das Mikrorisswachstum zu erfassen. Als Ergebnis kann herausgestellt werden, dass die Feuerverzinkung als Korrosionsschutz geeignet ist, um im Brückenbau für sämtliche Kerbfälle eingesetzt zu werden. Die im Normentwurf vorgeschlagene Änderung der Steigung der Zeitfestigkeitsgeraden auf m = 5 erscheint zweckmäßig, sodass alle hier untersuchten Kerbfälle mit feuerverzinkten Bauteilen erfüllt werden können. Der Einfluss der Feuerverzinkung auf die Ermüdungsfestigkeit kann mit den durchgeführten Untersuchungen dennoch bestätigt und darüber hinaus differenzierter bewertet werden. Auf Basis der durchgeführten experimentellen Untersuchungen kann jetzt die Auswirkung der geometrischen Kerbe in Zusammenhang mit der Feuerverzinkung auf die Ermüdungsfestigkeit beurteilt werden. Bei niedrigen Überzugsdicken (< 100 μm) zeigt sich eine Kerbfallabhängigkeit. Die angewandten Methoden bestätigen, dass prozessbedingte thermische Schwindungsrisse im Zinküberzug nicht ursächlich sind für die schädigende Wirkung. Aufgrund der spröden Eigenschaften des Überzugs mit geringer Kohäsionsbruchfestigkeit kommt es zum frühen Risswachstum im Überzug. Eine Differenzierung der Rissbildung und des Risswachstums im Zinküberzug zwischen Normal- und Hochtemperaturverzinkung ist möglich. Aufgrund des verschiedenen Phasenaufbaus resultiert eine unterschiedliche Ausprägung und Verschiebung der Ermüdungsphasen, so dass bei Applikation des dünneren HTV-Überzugs die Rissbildung im Stahl später erfolgt als für Bauteile mit NTV-Überzug. Daraus resultiert eine tendenziell höhere Lebensdauer von HTVBauteilen. Die Ermüdungslebensdauerreduzierende Wirkung des Überzugs bleibt. Gegenüber einem unverzinkten Stahl sind die Phasen der Ermüdung bei feuerverzinkten Bauteilen aus Stahl zu früheren Lebensdauerzeitpunkten verschoben. Die Bewertung der Mikrostruktur des Zinküberzugs ermöglicht die Beschreibung schädigungsbildender Mechanismen. Daraus eröffnet sich die Möglichkeit, den Feuerverzinkungsüberzug zielgerichtet und beanspruchungsgerecht für Stahlbauteile als langlebigen und nachhaltigen Korrosionsschutz einzusetzen.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Hot-dip galvanizing is a long-lasting corrosion protection for steel components and thus an important component in ensuring the safety of a structure over its service life. The aim is to establish this potential in steel and composite bridge constructions as well. A major step in this direction has already been taken with the research carried out so far. From phenomenological considerations only, a reduction of fatigue strength and a shift to lower numbers of cycles could be deduced by now. However, the question why hot-dip galvanizing has such an effect on the fatigue strength of steel components remains to be answered. The objective of this work is to provide the basis for a mechanism based understanding of the damaging effect of hot-dip galvanizing under fatigue loading. To this end, the focus is directed to the evaluation of critical cracking in the zinc coating and steel substrate. A systematic identification and evaluation on the reasons for damage is carried out on the basis of three focal points notch-geometric effect, microstructure and fracture mechanics. In addition to experimental fatigue tests, material analytical methods and fracture mechanics approaches were used to identify the microstructural influences on microcrack growth. As a result, it can be emphasized that hot-dip galvanizing is suitable as corrosion protection to be used in bridge construction for all detail categories. The change of the slope parameter of the finite life fatigue to m = 5 proposed in the draft standard seems appropriate, so that all detail categories tested here can be fulfilled with hot-dip galvanized components. The influence of hot-dip galvanizing on fatigue strength can nevertheless be confirmed with the tests carried out and, moreover, evaluated in a more differentiated manner. On the basis of the experimental investigations carried out, the effect of the notch-geometric associated with hot-dip galvanizing on the fatigue strength can now be evaluated. At low coating thicknesses (< 100 μm), notch dependence has been observed. The methods used confirm that process-related thermal shrinkage cracks in the zinc coating are not causal for the damaging effect. Due to the brittle properties of the coating with low cohesive fracture strength, early crack growth occurs in the coating. A differentiation of the crack behavior between normal and high temperature galvanizing is possible. Due to the different phase structure, a different shift of the fatigue phases can be observed, so that when the thinner high temperature coating is applied, crack formation in the steel occurs later than for components with normal temperature coating. This tends to result in a longer service life for high temperature galvanizing components. The fatigue-life-reducing effect of the coating remains. Compared with an ungalvanized steel, the fatigue phases of hot-dip galvanized steel components are shifted to earlier service lives. The evaluation of the microstructure of the zinc coating enables the description of damage-forming mechanisms. This opens up the possibility of using the hot-dip galvanized coating in a targeted and stress-appropriate manner for steel components as long-lasting and sustainable corrosion protection.

Englisch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-240736
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 624 Ingenieurbau und Umwelttechnik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde - Zentrum für Konstruktionswerkstoffe - Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt (IfW-MPA)
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde - Zentrum für Konstruktionswerkstoffe - Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt (IfW-MPA) > Bauteilfestigkeit
Hinterlegungsdatum: 24 Jul 2023 12:07
Letzte Änderung: 25 Jul 2023 04:59
PPN:
Referenten: Oechsner, Prof. Dr. Matthias ; Mittelstedt, Prof. Dr. Christian
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 25 April 2023
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