Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Verbesserte Zähigkeitsanforderungen für hochfeste Stähle im Druckbehälterbau

Hochfeste Stähle werden derzeit im Druckbehälterbau aufgrund restriktiver Forderungen der aktuellen Normgebung, z.B. der EN 13445, kaum eingesetzt. Für die Bestimmung der notwendigen Wanddicken im Festigkeitsnachweis wird dort derzeit ein Sicherheitsfaktor von 2,4 auf die Zugfestigkeit gefordert.

Im Vorgängerprojekt FOSTA P950 konnte gezeigt werden, dass dieser für den hochfesten Stahl P690Q unter Berücksichtigung ausreichender Sicherheit auf 1,77 reduziert werden kann. Jedoch besteht ein weiteres Einsatzhindernis für hochfeste Stähle im Zähigkeitsnachweis, der sprödes Versagen ausschließen soll. Diese Stähle sind hier von vereinfachten Nachweisverfahren über die Kerbschlagarbeit ausgeschlossen und eine kostspielige bruchmechanische Analyse wird gefordert, welche den Einsatz hochfester Stähle unwirtschaftlich macht. Ziel des beantragten Forschungsprojekts ist daher, durch die Ableitung von Zähigkeitsanforderungen ebenfalls einen vereinfachten Zähigkeitsnachweis für hochfeste Stähle zu etablieren und so neue Einsatz- und Absatzmöglichkeiten für hochfeste Stähle zu erschließen. Dazu soll vor allem eine genauere Betrachtung der Lastsituation an Defekten mit Hilfe von Finite-Elemente-Simulationen vorgenommen werden. Daraus werden mit Hilfe bruch- und schädigungsmechanischer Methoden erforderliche Kerbschlagzähigkeiten abgeleitet. Hierbei soll ein innovatives schädigungsmechanisches Modell des Projektpartners IEHK zur Sprödbruchsimulation zum Einsatz kommen. Der Übertrag von der Labor- auf die Bauteilskala unter Berücksichtigung von Schweißnähten wird vom Projektpartner STB an Großzugproben validiert. Abschließend können an Simulationen einer Vielzahl von Behältergeometrien, deren Modelle aus dem Vorgängerprojekt zur Verfügung stehen, die Zähigkeitsanforderungen für ein breites Spektrum möglicher Einsatzszenarien bestimmt werden. Die verbesserten Auslegungsmethoden erhöhen insbesondere die Wettbewerbsfähigkeit von KMU in anspruchsvollen Anwendungen.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel dieser Arbeit war es neue Zähigkeitsanforderungen für HSLA Stähle, basierend auf schädigungsmechanischen Verfahren zu definieren, um so die Möglichkeit zu schaffen, höherfeste Stähle verstärkt anzuwenden und ihre Ressourcen auszunutzen.

Zur Erreichung dieser Ziele wurde ein nominaler Ansatz der Modellierung gewählt, bei dem die Bestimmung der Zähigkeitseigenschaften aus nominalen Kennwerten ermöglicht werden kann.

Dazu wurde eine Modellanpassung vorgenommen, die es ermöglicht aus Streckgrenze, Zugfestigkeit und Gleichmaßdehnung die Fließkurve herzuleiten. Eine zweite Modifikation betrifft die Temperaturabhängigkeit des Modells. Hier wurde eine deutliche Verbesserung gegenüber bisherigen Modellen erreicht. Durch eine Kombination mit einem Verfahren, das den Wechsel des Bruchmechanismus genauer als bisher vorhersagt, ist es möglich, nominale Zähigkeitsanforderungen im KSBV zu simulieren und auf Bauteile zu übertragen. Dadurch kann die Anwendung schädigungsmechanischer Methoden deutlich vereinfacht werden.

Das weiterentwickelte schädigungsmechanische Modell konnte erfolgreich von der mm-Skala auf die m-Skala angewandt werden. Zur Validierung dienten hierzu Großzugversuche, die Dimensionen der Bauteilebene aufweisen. Die Großzugproben wurden bei unterschiedlichen und meisten tiefen Temperaturen getestet, um den Temperaturübergangsbereich abzubilden. Nach der Validierung konnten schädigungsmechanische Simulationen von Druckbehältern durchgeführt werden, die neben der Idealgeometrie auch Modelle beinhalteten, bei denen Risse implementiert wurden. Hier konnte eine Brücke zwischen den sonst individuell betrachteten Ansätzen der Bruch- und Schädigungsmechanik hergestellt werden, wodurch ab jetzt Zähigkeitsanforderungen universell durch schädigungsmechanische Untersuchungen abgeleitet werden können.