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Kurzzeitfestigkeit von Schweißverbindungen: Ein Verfahren zur Parameteridentifikation lokaler zyklischer Spannungs-Dehnungs-Kurven bei Werkstoffinhomogenitäten auf Basis der digitalen Bildkorrelation

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

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Kurzzeitfestigkeit von Schweißverbindungen: Ein Verfahren zur Parameteridentifikation lokaler zyklischer Spannungs-Dehnungs-Kurven bei Werkstoffinhomogenitäten auf Basis der digitalen Bildkorrelation
Language: German
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The present work deals with the behaviour of welded joints under cyclic elastic-plastic strains and the relevant factors influencing their fatigue lives. Until now, there was little knowledge about it. Thus, guidelines currently applicable in the low-cycle fatigue regime are mainly based on findings that were obtained from studies in the high-cycle fatigue regime due to a lack of reliable data. In particular, the influence of material inhomogeneities has so far received little attention. For the purpose of an economic as well as reliable design of the components, however, all relevant fatigue influencing factors have to be considered adequately in the design concept. On specimens from butt-welded pipes made of austenitic steel -- in real usage exposed to low-cycle loadings -- extensive material science investigations were carried out and low-cycle fatigue tests were performed. During the tests, strain fields around the section of the weld seam were measured optically. It was noticeable that at low-cycle loadings the cracks occured in the base material where the highest local strain amplitudes had been measured, before. Thus, the weld notch plays a subordinate role under these conditions. In order to consider the material inhomogeneity a procedure has been developed that is able to identify parameters of local cyclic stress-strain curves based on the measured strains. The parameter identification is fully automated under the use of finite element simulations. Within five to ten iterations several hundreds of local cyclic material parameters are identified. Now, cyclic stress-strain curves can be determined as local as strains can be measured by digital image correlation. Zones of different cyclic material strength need not be known in advance. After the material inhomogeneity was considered in the simulation, realistic strain amplitudes could be calculated, the crack initiation could be indicated correctly at the real failure location and the fatigue lives could be determined by the base material Wöhler curve. The application of the procedure revealed a significant correlation between the cyclic material parameter Rp0,2' and the hardness. Correlation functions known from the literature were not able to estimate the cyclic material parameters in areas strongly hardened by the welding process. Therefore, a new estimation formula was developed that is applicable for comparable welded joints. The procedure can also be used in order to detect cyclic hardening and softening of the local materials. At single-stage tests the here investigated weld seams showed mainly cyclic stable behaviour, in multi-stage tests cyclic softening in the areas around the weld root was observed.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Steel Constructions and Material Mechanics > Material Mechanics
Date Deposited: 12 Nov 2018 12:56
Last Modified: 12 Nov 2018 12:56
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-80838
Referees: Vormwald, Prof. Dr. Michael and Fricke, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed: 6 June 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8083
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