Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Konzept zur Vermeidung von Sprödbruch hoch- und ultrahochfester Stähle

Um die Nutzung ultrahochfester Stähle in bestehenden Anwendungen zu vereinfachen und die damit verbundenen wirtschaftlichen Vorteile für andere Anwendungsgebiete zu erschließen, soll die Zähigkeit und somit der Widerstand gegen ein Sprödbruchversagen geschweißter und nicht geschweißter Stähle untersucht werden. Vorteile der angestrebten Ergebnisse liegen für KMUs in der Möglichkeit, eine teure, von KMUs selten leistbare Einzelfallauslegung zu umgehen. Überdies wird das Leichtbaupotential ultrahochfester Stähle erschlossen, womit neben ökonomischen Vorteilen auch eine ressourcenschonende Vorgehensweise verbunden ist. Bestehende Normen bieten lediglich Empfehlungen für Stähle mit Streckgrenzen (ReH) bis zu 690 MPa, Stähle mit ReH bis 1100 MPa sind jedoch bereits im Einsatz, der Einsatz von Stählen mit ReH bis 1300 MPa ist in Planung. Vorangegangene Untersuchungen an strahlgeschweißten Nähten zeigten, dass bei der Verwendung eines hochfesten S960QL, der eine Streckgrenzenauslastung von 75 % bei einer Einsatztemperatur von -30 °C erfährt, Blechdicken von mehr als 15 mm zu einer Sprödbruchgefährdung führen können, sodass evident ist, dass die Zähigkeit ultrahochfester Stähle ein auslegungsrelevantes Kriterium darstellt. Die Vorgehensweise im Projekt beinhaltet Bruchmechanikversuche an Grundwerkstoffen und verschiedenen Bereichen der geschweißten Verbindungen von Feinkornbaustählen mit Streckgrenzen von 890 MPa bis 1300 MPa. Es soll eine Korrelation der Ergebnisse aus den Bruchmechanikversuchen mit Ergebnissen aus dem Kerbschlagbiegeversuche erfolgen, um die finalen Empfehlungen an ein einfaches Kriterium aus den technischen Lieferbedingungen der Werkstoffe zu koppeln. Mit analytischen und unterstützenden numerischen Berechnungen sollen Mindestzähigkeiten für Kerbdetails ermittelt werden, die mit den vorliegenden Bauteilzähigkeiten verglichen werden können. Eine Validierung der Untersuchungen ist am Projektende mit Hilfe bauteilähnlicher Großzugversuche vorgesehen.

Das beschriebene Thema ist von großem Interesse und betrifft einen weiten Bereich von Anwendungen, bei denen hoch- und höchstfeste Stähle eingesetzt werden bzw. in Zukunft eingesetzt werden sollen. Insbesondere im Rahmen der gerade anstehenden Überarbeitungen der Eurocodes wird dieses Thema durchaus kontrovers diskutiert und eine Klärung erscheint wünschenswert. Davon würden auch KMU profitieren, die als Dienstleister für größere Hersteller tätig sind.

Ergebniszusammenfassung:

Das Projekt hatte zum Ziel, nähere Informationen zu der Zähigkeit hochfester Stähle im Festigkeitsbereich zwischen 960 MPa und 1300 MPa zu ermitteln und in ein Bewertungskonzept zu überführen. Hierfür sind Werkstoffe zweier Hersteller genutzt worden und Lichtbogen- und Strahlschweißungen mit praxisüblichen Schweißparametern gefertigt worden.

Die Zähigkeit wurde mittels Kerbschlagbiege- und Bruchmechanikversuchen ermittelt, hierbei wurden Kerblagen in der Schweißnaht und in der Grobkorn-Wärmeeinflusszone genutzt. Im Hinblick auf die Kerbschlagbiegeversuche konnte trotz des Rissauswanderns, das bei den Strahlschweißungen beobachtet werden konnte, ein Konzept verfolgt werden, das die Ermittlung der Übergangstemperatur zuließ. Zusätzlich zu der reinen Kennwertermittlung wurden die Ergebnisse aus den Kerbschlagbiegeversuchen und den Bruchmechanikversuchen über eine Temperaturkorrelation miteinander verknüpft. Diese Art der Korrelationen bildet eine wichtige Grundlage für bruchmechanische, (teil-)analytische Berechnungen von Bauteilen. In Anlehnung an den Teil 1-10 des Eurocodes 3 wurden solche Berechnungen durchgeführt, um eine Empfehlungstabelle zu größten zulässigen Erzeugnisdicken zu erstellen. Diese Empfehlungstabelle gibt Erzeugnisdicken an, bei denen bei einer bestimmten Streckgrenzenauslastung und dem Einhalten einer bestimmten Kerbschlagarbeit davon ausgegangen werden kann, dass es zu keinem Sprödbruch kommt. Die Zulässigkeit dieses Vorgehens ist mit Hilfe von Großzugproben überprüft und nachgewiesen worden.

Die Empfehlungstabelle ist ein Werkzeug, welches direkt im Anschluss an das Projekt verwendet werden kann. Weitere Erkenntnisse, wie der Bereich der niedrigsten Zähigkeit, sind Erkenntnisse, welche direkt in der Praxis verwendet werden können. Sie können beispielsweise direkte Auswirkung auf die Wahl des zu verwendenden Schweißverfahrens haben.