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Welche Eigenspannungen gibt es in Materialmischverbindungen?

Der Begriff Materialmischverbindung bezieht sich in diesem Artikel auf eine Schweißnaht, die zwei Werkstoffen aus unterschiedlichen Legierungssystemen verbindet. Eine in Kraftwerken übliche Anwendung ist z.B. die Verbindung eines ferritischen niedrig legierten Stahls mit einem austenitischen Edelstahl. Eine typische Materialmischverbindung ist in Abbildung 1 schematisch dargestellt.

 Fig. 1. Dissimilar metal weld joint

Abbildung 1. Materialmischverbindung: Schweißverbindung zwischen unterschiedlichen Metallen. Zum Beispiel wird hier das Grundmaterial A, ein rostfreier Edelstahl, wird über das Schweißgut und die Pufferschicht mit dem Grundmaterial B, einem Baustahl verbunden.

Eine Pufferschicht kann verwendet werden, um einen Übergang zwischen den erheblich unterschiedlichen physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Ausgangsmaterialien in Materialmischverbindungen zu schaffen. Eine Materialmischverbindung aus der Kraftwerkstechnik ist in Tabelle 1 dargestellt.

 

Tabelle 1 Ein Beispiel für eine Materialmischverbindung und ihre Eigenschaften

Verbindungs-Komponente Werkstoff Wärmeausdehnungskoeffizient (1/K) bei 300°C Streckgrenze (MPa) bei 300°CZugfestigkeit (MPa) bei 300°C
Grundmaterial A 316L 19.0 x 10 -6 213 453
Schweißgut  308L 19.0 x 10 -6 333 441
Pufferschicht 309L/308L 19.0 x 10 -6 333 441
Grundmaterial B A508 14.0 x 10 -6 463 640

 

Das bedeutendste Merkmal von Schweißungen aus unähnlichen Metallen (Materialmischverbindungen) in Bezug auf Eigenspannungen sind Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Grundmaterial und Schweißgut. Es kann auch Unterschiede in der Streckgrenze geben, die die Größenordnungen der Eigenspannungen begrenzen, die in den Komponentenwerkstoffen vorhanden sein können (wie es auch bei ähnlichen Metallschweißnähten mit nicht übereinstimmenden Streckgrenzen der Fall ist), aber die allgemeinen Eigenschaften des Eigenspannungsfeldes nicht verändern.

Die Eigenspannungen in ähnlichen und unähnlichen Metallschweißnähten werden durch die thermische Kontraktion des Schweißguts und des angrenzenden erwärmten Grundwerkstoffs erzeugt, und daher ist die Eigenspannungsverteilung in einer Materialmischverbindung im Schweißzustand im Großen und Ganzen ähnlich der in einer ähnlichen Metallschweißnaht. Obwohl Informationen über die Größe und Verteilung der Schweißeigenspannungen in mehreren Normen und Standards verfügbar sind, sind diese für Materialmischverbindungen nicht umfassend validiert. Es wird empfohlen, Eigenspannungen in Materialmischverbindungen physikalisch zu messen oder numerisch durch rechnerische Schweißsimulation zu berechnen.

Wenn die Struktur, die die Materialmischverbindung enthält, einer Wärmebehandlung nach dem Schweißen unterzogen wird, sind die Eigenspannungen völlig anders als bei Schweißnähten zwischen artgleichen Metallen. Die meisten der ursprünglichen Eigenspannungen im Schweißzustand werden während der Aufheiz- und Halteperiode des Wärmenachbehandlungs-Verfahrens abgebaut. Während des Abkühlens wird aufgrund der unterschiedlichen Kontraktionen der verschiedenen Bereiche ein neuer Satz Eigenspannungen erzeugt. Nach der Wärmenachbehandlung gilt folgendes:

 

  • Die Längseigenspannungen (parallel zur Schweißrichtung) sind im Material mit dem höheren Ausdehnungskoeffizienten tendenziell Zugspannungen und im Material mit dem niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten Druckspannungen, mit einer Diskontinuität im Spannungsfeld an der Grenzfläche.
  • An der Grenzfläche treten Scherspannungen auf, mit Spitzenwerten am Schnittpunkt mit der Oberfläche. Diese können zur Initiierung oder Ausbreitung von Rissen an der Grenzfläche beitragen.
  • Lokale Quereigenspannungen können an der Oberfläche in der Nähe der Grenzfläche gefunden werden. Längere transversale Eigenspannungen hängen von der Einspannung ab, die über die Verbindung wirkt.

Eine einfache Vorhersage des Eigenspannungsfeldes bei einer wärmebehandelten Materialmischverbindung kann mit Hilfe eines Finite-Elemente-Modells erhalten werden, indem angenommen wird, dass die Schweißnaht am Ende der Temperaturhalteperiode spannungsfrei ist, und dann die Spannungen berechnet werden, die aufgrund der differentiellen Kontraktion beim Abkühlen entstehen. In der Praxis kann es jedoch einige zusätzliche Eigenspannungen geben, die aus dem ursprünglichen Schweißvorgang resultieren und während der Wärmenachbehandlung nicht vollständig abgebaut werden.

Es ist zu bedenken, dass zusätzliche thermische Spannungen erzeugt werden, wenn sich die Temperatur der Materialmischverbindung ändert. Eine Änderung der Temperatur von der Umgebungstemperatur auf eine höhere Temperatur wird die während der Abkühlung erzeugten Eigenspannungen teilweise aus dem Wärmenachbehandlung entlasten.

Dieser Artikel gehört zu einer Reihe von häufig gestellten Fragen (FAQs). Für weitere Informationen zu Eigenspannungen in Materialmischverbindungen oder anderen Themen, senden Sie bitte eine englischsprachige E-Mail an:

kontakt@twi-deutschland.com

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