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Stand von Wissenschaft und Technik 2 Stand von Wissenschaft und Technik Eigenspannungen in Schweißverbindungen entstehen durch den Wärmeeintrag während des Schweißprozesses mit instationärem Temperaturfeld und lokalen Umwandlungen des Werkstoffs während der Abkühlphase [Woh86]. Der Werkstoff erfährt dabei eine lokale Wechselplastizierung, die mit den gängigen Werkstoffmodellen in Rechenprogrammen zur Schweißsimulation bisher nur unzureichend beschrieben werden kann. Mit neueren Werkstoffmodellen des Chaboche-Typs, die entsprechende Formulierungen der Vorgänge der Plastizität und der Zeitabhängigkeit enthalten, lassen sich Ermüdungsvorgänge mit plastischen Wechselverformungen beschreiben [Cha93, Jia00, Sch02, Ses97]. Solche Modelle werden bisher überwiegend in Festigkeits- und Lebensdaueranalysen eingesetzt und finden in der numerischen Schweißsimulation bisher kaum Verwendung bzw. sind nicht durch Versuchsergebnisse validiert. Neuere Ergebnisse zur Berechnung von Schweißeigenspannungen deuten darauf hin, dass die in der Wärmeeinflusszone erzeugten Verfestigungen durch die erwärmungsbedingten Plastizierungen für die Eigenspannungsentstehung eine wichtigere Rolle spielen als bislang angenommen [Woh09]. Dadurch sind nicht nur genauere Berechnungen der Eigenspannungen möglich, die erreichten Verfestigungen sind auch im Hinblick auf die Eigenspannungsstabilität bei Beanspruchung im Betrieb zu beachten, so dass dies auch Konsequenzen für das Schwingfestigkeitsverhalten und damit für Auslegungskriterien haben könnte. Bei erfolgreichem Einsatz von fortgeschrittenen Werkstoffmodellen in der Schweißsimulation könnten die Eigenspannungen in Schweißverbindungen jedoch genauer berechnet und damit die Prognosefähigkeit von rechnerischen Lebensdauervorhersagen erheblich verbessert werden. Eine experimentelle Validierung der rechnerischen Modelle ist dabei unverzichtbar. 2.1 Werkstoffmechanisch basierte Modellbildung Für eine genauere Beschreibung des Werkstoffverhaltens unter komplexer Ermüdungsbeanspruchung wurde in den letzten Jahrzehnten eine Vielzahl von Modellen entwickelt, die die Beschreibung der Interaktion zwischen den Verformungs- und Schädigungsprozessen ermöglichen [Rob78, Cha77, Har76, Bod75, Kre86, Mil76]. Im Gegensatz zu den Ansätzen der Plastizitäts- und Kriechtheorie, die die Vorgänge und Kriech-, Plastizitäts- und Ermüdungsbedingungen getrennt voreinander betrachten, beschreiben diese sogenannten "unified models" das elastisch-viskoplastische Werkstoffverhalten durch übergeordnete Formulierungen. Modelle des Chaboche-Typs, die entsprechende Formulierungen der Vorgänge der Plastizität und der Zeitabhängigkeit enthalten, haben sich in verschiedenen Anwendungen bereits für die Beschreibung des Werkstoffverhaltens unter Ermüdungs- und Kriechermüdungsbedingungen bewährt. Dabei wird ein Schädigungsparameter aus der Spannungs-Dehnungs- Hysterese als Funktion der Spannung und der plastischen Dehnung abgeleitet und über Messungen mit der Anrisslastwechselzahl korreliert. Solche Modelle sind in der Lage, die Umlagerung von Spannungen durch Wechselbelastung zu beschreiben, allerdings muss das Werkstoffverhalten durch die den Modellen zugrunde liegenden inneren Variablen möglichst 3
Stand von Wissenschaft und Technik genau beschrieben werden, um auch den Spannungsabbau realitätsnah vorherzusagen [Cha98]. In der Vergangenheit wurden solche Modelle bereits erfolgreich für die Lebensdauervorhersage von Komponenten unter zyklischer und wechselnder thermischer Belastung, wie z.B. Abgaskomponenten, eingesetzt [Rie87, Sch02]. In der erweiterten Version des Chaboche-Modells werden die Spannungen σ ij in der Form ∂C th vp ijkl −1 σ ij = C ( ijkl ε kl − ε kl − ε kl ) + Cklmnσ T mn ∂T (2.1) berechnet, wobei C ijkl der Elastizitätstensor, ε die Gesamtdehnung, ε th die thermische, ε vp die viskoplastische Dehnung und T die Temperatur sind. Die viskoplastische Dehnung β eq −σ Y p = K , (2.2) beinhaltet mit β ij = σ’ ij -α ij die Rückspannung α ij (σ’ ij Spannungsdeviator, β eq V.Mises Vergleichsspannung, σ y Streckgrenze, K und n Viskositätsparameter), die über die Entwicklungsgleichungen und ε α ϕ vp ij 3 = 2 β ij p β eq ( k ) ( k ) ( k ) vp ( k ) ( k ) ( k ) ( k ) ( k ) 1 ( k ) ij = C ε ij − γ ϕ p α ij − R α ij + T α ( k ) ij (1) n k = 1,2 , (2.3) (2) −ω ϕ = ϕ sowie ss + 1−ϕss e (2.4) beschrieben werden kann. Mit den Werkstoffparametern σ Y , C (k) , γ (k) , R (k) , φ (k) ss und ω (k ) ist das Modell in der Lage, die zyklische Ver- und Entfestigung eines Werkstoffs zu beschreiben. Die temperaturabhängigen Variablen des Modells werden dabei an komplexe Messergebnisse aus kombinierten LCF- und Kriechversuchen mit einem Computerprogramm angepasst. Das Modell ist damit in der Lage, die Entwicklung der plastischen Dehnung und der Schädigung in einem zyklisch beanspruchten Bauteil lokal zu erfassen [Moh05, Moh06]. Mit Hilfe der beschriebenen Werkstoffmodelle ist zwar prinzipiell die Beschreibung von Wechselplastizierungen und Spannungsumlagerungen als Funktion möglich, die im Ausgangszustand vorliegenden Eigenspannungen müssen jedoch zunächst bekannt sein. Hierfür sind entweder auf Messergebnisse gestützte Annahmen oder numerische Analysen des Schweißprozesses erforderlich. ∂C ∂T (1) vp (1) (1) −ω ε eq (2) (2) ( 2) p = ϕ + ( 1−ϕ ) e ( ) ss ss C 2.2 Numerische Schweißsimulation Die numerische Schweißsimulation ist prinzipiell geeignet, Gefüge, Verzug und Eigenspannungen infolge des Wärmeeintrags durch den Schweißprozess rechnerisch zu ermitteln [Rad88, Rad99, Ven06]. Abhängig vom angewandten Schweißverfahren kann die Wärmeeinbringung sehr unterschiedlich sein. Die Berechnung von Gefüge, Verzug und Eigenspannungen in einer Schweißverbindung erfolgt meist mit einer entkoppelten 4
Seite 1: 2015 Abschlussbericht DVS-Forschung
Seite 4 und 5: Bibliografische Information der Deu
Seite 6 und 7: Verzeichnisse 4.3.2.2 Eigenspannung
Seite 8 und 9: Einleitung 1 Einleitung Der Einflus

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