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Unter dem Titel "Charakterisierung und Optimierung des makroskopischen Reinheitsgrades in hoch beanspruchten Stählen durch Einsatz der US-Tauchtechnik" wurde ein Forschungsvorhaben am Institut für Eisenhüttenkunde, RWTH Aachen abgeschlossen.
Einschlüsse in Stahlbauteilen sind eine der häufigsten Versagensursachen unter zyklischer Belastung. Um das Risiko durch Einschlüsse zu minimieren, sind die Anforderungen an den Reinheitsgrad von Stählen in den letzten Jahren stetig gestiegen. Eine Möglichkeit zur Kontrolle des makroskopischen Reinheitsgrades ist die Ultraschalltauchtechnik. Mit einer minimal detektierbaren Vergleichsfehlergröße von 0,3 mm KSR stellt sie eine deutliche Verbesserung im Vergleich zur Durchlaufprüfung (minimal detektierbare Vergleichsfehlergröße 0,7 mm KSR) dar; jedoch kann auch sie nur zur Bewertung des makroskopischen Reinheitsgrades herangezogen werden. Der mikroskopische Reinheitsgrad kann durch lichtoptische Verfahren beschrieben werden. Statistische Untersuchungen nach ASTM E 2283-03, die im Rahmen dieses Projektes durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass das Auftreten globularer Oxide, deren Durchmesser größer als 30 µm ist, extrem unwahrscheinlich ist. Es bedeutet also, dass über Einschlüsse deren Durchmesser im Bereich zwischen 30 µm und 0,3 mm KSR (entspricht ca . 100 µm Einschlussgröße) liegt, keine Aussagen bezüglich der Häufigkeit ihres Auftretens gemacht werden können. Dies ist besonders kritisch, da bereits Einschlüsse ab 30 µm in hochdruckbeanspruchten Bauteilen zum Versagen führen können. Dennoch stellen Einschlüsse mit Durchmessern zwischen 30 µm und 100 µm ein besonderes Risiko dar, da diese weder mittels US-Prüftechnik noch durch Statistik erfasst werden können.
In diesem Projekt konnte gezeigt werden, dass mit den derzeit verfügbaren Techniken dieser Bereich definitiv nicht abgedeckt werden kann. Die mittels Ultraschall gefundenen Einschlüsse konnten im Rahmen der Untersuchungen als mitgerissene Schlacke identifiziert werden. Eine Korrelation der seltenen makroskopischen Einschlüsse mit der Herstellungsroute mit einem anschließenden Vergleich der verschiedenen Stähle wurde aufgrund der geringen Datenlage verworfen. Die mikroskopischen Einschlüsse konnten dagegen in zwei Gruppen eingeteilt werden, Langgestreckte Mangansulfide und globulare Aluminiumoxide. Die erste Gruppe wird durch die hohen Schwefelgehalte verursacht, während die zweite Gruppe ein Resultat des Desoxidationsprozesses ist.
Weiterführend wurde die Wirkungsweise einzelner Einschlüsse auf die mechanischen Eigenschaften genauer zu untersuchen. Dafür wurde eine neue Methodik der Zielpräparation entwickelt. Durch die Kombination der Ergebnisse der US-Tauchtechnik Untersuchungen und der 3D Röntgentomographie war es möglich, Kleinstzugproben zu präparieren, die definierte Einschlüsse enthielten. Die Form der Einschlüsse konnte auf diese Weise dreidimensional erfasst werden. Durch den Vergleich von fehlerfreien Proben und Proben mit Einschlüssen konnten Tendenzen für die Wirkungsweise von Einschlüssen gezeigt werden. So führt ein Schlackeneinschluss in einer Zugprobe zu einem Anstieg der Festigkeitswerte und einer Reduktion der Bruchdehnung. Bei der Untersuchung der zyklischen mechanischen Eigenschaften gelang es aufgrund der geringen Probenzahl nicht, eine eindeutige Korrelation nachzuweisen.
Anhand von FE - Simulationen in ABAQUS konnte gezeigt werden, dass das Einschlussvolumen nicht die einzig entscheidende Größe für die Bewertung des Reinheitsgrades sein kann. Parameter wie Form, Verteilung und insbesondere die Kombination von beiden Parametern beeinflussen die mechanischen Eigenschaften ebenfalls in einem hohen Maße. Durch Röntgentomographie gewonnene 3D Daten von Einschlüssen können in Zukunft direkt in die FE - Simulation einfließen. Diese Vorgehensweise bietet die Möglichkeit, neue Ansätze für Schädigungsmodelle zu entwickeln.
Das IGF-Vorhaben 14645 N der FOSTA - Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Sohnstr. 65, 40237 Düsseldorf wurde über die AiF im Rahmen des Programms industrielle Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministeriums Wirtschaft und Technlogie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Criteria of this press release:
Materials sciences, Mechanical engineering, Traffic / transport
transregional, national
Research results
German
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