102410_Leseprobe

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2 Hinweise und Erläuterungen zum Gebrauch der Schweiß-ZTU- Schaubilder 2.1 Allgemeines Schweiß-ZTU-Schaubilder (ZTU = Zeit-Temperatur-Umwandlung) stellen eine besondere Art von Umwandlungsschaubildern dar. Sie gestatten Aussagen über die Gefügeveränderungen in der Wärmeeinflusszone von Schweißverbindungen infolge des typischen thermischen Schweißzyklus und müssen daher mit den für das Schweißen charakteristischen Austenitisierungsbedingungen aufgenommen werden. Der durch einen schnellen Anstieg auf Temperaturen bis in Schmelzpunktnähe und einen sofortigen Abfall der Temperaturen von der beim Durchgang der Wärmequelle erreichten Spitzentemperatur ohne weitere Haltezeit charakterisierte Wärmezyklus (Bild 2-1) beeinflusst wesentlich den Austenitzerfall beim nachfolgenden Abkühlen. Insbesondere unter dem Einfluss der hohen Spitzentemperaturen kommt es zu einer Austenitkornvergröberung, wobei als thermodynamische Triebkraft der Zwang zur Minimierung der freien Energie durch Verringerung der Grenzflächenenergie bei absoluter Verringerung der Korngrenzenfläche wirkt. Hierdurch wird beim Abkühlen aus der Schweißhitze die Keimbildung für die --Umwandlung erschwert, und es kommt zu einer Umwandlungsverzögerung. Diese wirkt sich in einer Verschiebung des Umwandlungsgebietes im Schweiß-ZTU-Schaubild nach rechts zu längeren Abkühlzeiten und nach unten zu tieferen Temperaturen aus. Die prozentuale Zusammensetzung des Umwandlungsproduktes verändert sich damit in Richtung steigender Martensitgehalte. Bild 2-1. a) Austenitisierungsbedingungen beim Schweißen und bei üblicher Wärmebehandlung; b) Übergang von der linearen zur logarithmischen Teilung der Zeitachse mit Nullpunkt beim Durchgang durch 850 °C. 3
Daher können ZTU-Schaubilder, die für die übliche Wärmebehandlung bestimmt sind [1 bis 6], die Verhältnisse beim Schweißen nur sehr unvollkommen widerspiegeln, sodass ihre Anwendung in der Schweißtechnik zu großen Fehlern führt. Mit [7] liegt ein Atlas vor, bei dem in 18 Schaubildern russischer und meist höher gekohlter Stähle die beim Schweißen herrschenden Austenitisierungsbedingungen bereits berücksichtigt wurden. In der deutschsprachigen Literatur sind Schweiß-ZTU-Schaubilder unter anderem mit [8 bis 13] veröffentlicht. Mit [14] liegen weitere für das Schweißen geltende Umwandlungsschaubilder vor, denen allerdings keine Eigenschaftsdiagramme beigeordnet sind. Um den Anforderungen der schweißtechnischen Praxis gerecht zu werden, wurden in [15 bis 22, 52, 53] weitere Umwandlungsschaubilder mit dem spezifischen Schweißwärmezyklus nach Bild 2-1 aufgenommen, die damit als „Schweiß-ZTU-Schaubilder“ die beim Schweißen herrschenden Bedingungen für verschiedene Werkstoffgruppen berücksichtigen. Solche Schweiß-ZTU-Schaubilder sind ursprünglich für 76 Stähle, nun erweitert auf 110 Stähle, im Kapitel 4 zusammengestellt. Die chemische Zusammensetzung dieser Stähle ist aus der einführenden Tabelle ersichtlich. Es handelt sich dabei in erster Linie um niedriglegierte hochfeste schweißgeeignete Baustähle, die im Schiffbau, Stahlbau, Anlagenbau und ähnlichen Industriezweigen verwendet werden. Darüber hinaus wurden 8 Einsatz- und Vergütungsstähle, 11 warmfeste und druckwasserstoffbeständige Stähle sowie einige allgemeine bzw. korrosionsträge Baustähle aufgenommen. Für einige Stahlmarken wurden mehrere Chargen untersucht und deren Schweiß- ZTU-Schaubilder angegeben, um damit auf den Einfluss von Chargenstreuungen innerhalb ein und derselben Stahlmarke hinzuweisen sowie um die Größe möglicher Abweichungen zu zeigen. Legierungselemente wie Mn, Cr, Ni, Mo, V und W erschweren beispielsweise die Diffusion des Kohlenstoffs und beeinflussen damit insbesondere das Umwandlungsverhalten in der Perlitstufe. Eine Martensitbildung wird dadurch erleichtert. Zur besseren Beurteilung der Chargenstreuungen und deren Einfluss auf das Umwandlungsverhalten unter Schweißbedingungen wurden bei 40 Modellstählen die Gehalte an Kohlenstoff und den Hauptlegierungselementen Mangan und Silizium systematisch variiert und deren Schweiß-ZTU-Schaubilder zusammengestellt (siehe Tabelle der chemischen Zusammensetzung im Kapitel 5). Darüber hinaus beinhaltet Kapitel 6 Schweiß-ZTU-Schaubilder für 6 unlegierte Stahlgusschargen, 4 niedriglegierte, 5 warmfeste sowie weitere 4 Stahlgusssorten (chemische Zusammensetzung in der Tabelle im Kapitel 6). Von den Autoren wurden auch Schweiß-ZTU-Schaubilder und Diagramme mechanisch-technologischer Kennwerte für Schweißgut aufgestellt. Im Kapitel 7 werden für E-, MAG- und UP-Schweißgut zutreffende insgesamt 53 Schaubilder aufgeführt. Sie geben die Möglichkeit, den Einfluss von Legierungselementen, zum Beispiel des Titans, auf Umwandlungsverhalten und mechanisch-technologische Gütewerte abzuschätzen (chemische Zusammensetzung in der Tabelle im Kapitel 7). Zur Aufstellung dieser Schaubilder wurde zunächst reines Schweißgut nach dem jeweiligen Schweißverfahren hergestellt und daraus Proben entsprechend Bild 2-2 gefertigt, die dann nach der im Abschnitt 2.2 erläuterten Bestimmungsmethode untersucht wurden. Zusätzlich werden im Kapitel 3 Stahlumschlüsselungstabellen angeboten. Diese ermöglichen die Umschlüsselung der Originalbezeichnungen der untersuchten Stähle nach TGL, GOST und weiteren Normen in die entsprechende DIN-, DIN EN- und DIN EN-Norm. 2.2 Bestimmungsmethode Zur Simulation der beim Schweißen gebräuchlichen schnellen Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten wurde ein in [23 bis 25] beschriebenes, induktiv arbeitendes Hochgeschwindigkeitsdilatometer angewendet. Die zu untersuchenden Proben (Bild 2-2) wurden in wassergekühlte Stromzuführungen eingespannt und durch Widerstandserwärmung mittels Wechselstrom mit 700 K/s auf eine Austenitisierungstemperatur von 1350 °C aufgeheizt. Die Abkühlung erfolgte ohne Haltezeit bei Maximaltemperatur mit unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten. Die so simulierten T-t-Zyklen entsprechen denen in der Wärmeeinflusszone (Grobkornzone) einer Schweißverbindung. Dadurch konnten sowohl die Bedingungen des E- und der MIG-/MAG-Verfahren, aber auch für die Schweißverfahren mit höherem Wärmeeintrag und größerem Wärmevorlauf (zum Beispiel UP- und ES- Verfahren) zutreffenden Bedingungen realisiert werden. Die Probendehnung, gemessen über den Querschnitt der Probe, wurde von Quarzstiften über Hebel reibungsarm auf einen induktiven Wegaufnehmer vom Typ „IWT 101“ übertragen und auf einem x-y-Koordinatenschreiber vom Typ „endim 2200“ als Funktion der Temperatur dargestellt. Der Registriervorgang konnte durch rhythmisches Abheben der Schreibfeder des Koordinatenschreibers im Takt einer wählbaren Periodendauer unterbrochen werden. Dies gestattete das punktweise Übertragen der während der Abkühlung aufgenommenen Dilatometerkurven in halblogarithmische Temperatur-Zeit-Verläufe. Die Messung der Dilatation erfolgte auf Grund der exakten Zuordnung von Temperatur und Probenausdehnung am Ort der Temperaturmessung in Probenmitte. Die Regelung der Temperatur der Probe am Ort der Messung wurde über Pt/PtRh(10 %)-Thermodrähte, die mittig auf der Probenoberfläche aufgeschweißt waren, realisiert. Das Thermoelement besaß auf Grund der geringen Drahtdurchmesser von nur 0,05 mm eine kleine Wärmekapazität, 4
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