Schweißeigenspannungen 9
Aus ESOCAETWIKIPLUS
Variante 8: Auswirkungen von Änderungen der Materialdaten
Hier in Variante 8 wird ein Material zugrunde gelegt, das im wesentlichen dem Stahl S355 1.0570 entspricht. Mit diesen Materialdaten und allen bisher vorgestellten Effekten wird eine Simulation mit einem Modell wie bisher durchgeführt: eine Probe, die an beiden Enden festgehalten wird und einen Aufheiz- und Abkühlzyklus durchläuft. Die Materialdaten enthalten die bereits in Variante 7 gezeigten Effekte:
- Der Elastizitätsmodul wird als Funktion der Temperatur zugrunde gelegt (vergleiche Variante 2).
- Es wird Plastizität zugrunde gelegt, wie bereits vorher mit einer bi-linearen Spannungs-Dehnungs-Funktion, mit kinematischer Verfestigung, abhängig von der Temperatur (vergleiche Variante 5).
- Der Wärmeausdehnungskoeffizient wird als Funktion der Temperatur berücksichtigt. Durch die Phasenumwandlung des Gefüges beim Aufheizen zu Austenit (meistens bei etwa 800°) und bei der Rückumwandlung beim Abkühlen bei tieferen Temperaturen (Unterkühlung) ergibt sich eine Hysterese der Funktion (vergleiche Variante 6).
- Die Umwandlungsplastizität (TRIP, transformation induced plasticity) wird durch eine reduzierte elastische Grenze im Temperaturbereich der Rückumwandlung berücksichtigt (vergleiche Variante 7).
Mit diesen Einstellungen und Daten ergibt sich ein Verlauf der Spannung als Funktion der Temperatur wie rechts in der Abbildung gezeigt.
Die Dateneingabe für ANSYS® Mechanical 17.0 finden Sie hier.
Im Vergleich zu dieser Basis-Simulation werden nun die Auswirkungen von Variationen der Materialdaten vorgestellt.
Änderung der elastischen Grenze
Eine Änderung der elastischen Grenze entspricht der Verwendung eines Stahl mit anderen Festigkeits-Kennwerten (Streckgrenze, Zugfestigkeit). Diese Werte sind abhängig von der Temperatur.
Die Änderung der elastischen Grenze betrifft bei der Spannungs-Dehnungs-Funktion die Grenze des elastischen Bereiches zum plastischen Bereich. Diese Werte (für jede Temperatur) wurden hier auf 120% erhöht bzw. auf 80% verringert.
Die Ergebnisse sind in der Abbildung rechts im Vergleich zu der Basis-Simulation (schwarze Kurve) dargestellt. Die Änderung zeigt im wesentlichen Auswirkungen während der plastischen Verformung. Bei der Abkühlung - dem für die verbleibenden Eigenspannungen maßgebenden Bereich - wird der Unterschied durch die Vorgänge bei der Rückumwandlung weitgehend aufgehoben.
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Änderung des Temperaturbereiches der α-γ-Umwandlung
Eine Änderung des Temperaturbereiches der α-γ-Umwandlung ist hier dadurch simuliert worden, dass der "Zacken" des Dilatogramms, der bei der Aufheizung bei der Umwandlung der ferritischen Anteile zu Austenit erkennbar ist, auf der Temperatur-Achse verschoben wird. Während in der Basis-Simulation hierfür der Temperaturbereich 800°C..900°C verwendet wurde, wird hier nun ein tieferer Bereich 700°C..800°C und ein höherer Bereich 900°C..1000°C verwendet.
Eine Änderung des Temperaturbereiches der α-γ-Umwandlung wirkt sich bei dem hier dargestellten Prozess nur im Verlauf der Aufheizung (unterer Kurvenast) aus. Die Ergebnisse sind in der Abbildung rechts im Vergleich zu der Basis-Simulation (schwarze Kurve) dargestellt.
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Änderung des Temperaturbereiches der γ-α-Rückumwandlung
Eine Änderung des Temperaturbereiches der γ-α-Rückumwandlung ist hier dadurch simuliert worden, dass der andere "Zacken" des Dilatogramms, der bei der Abkühlung bei der Rückumwandlung des Austenits zu Martensit, Perlit, Bainit erkennbar ist, auf der Temperatur-Achse verschoben wird. Diese nicht-austenitischen Gefügebestandteile unterscheiden sich in den mechanisch-technologischen Werten (Materialdaten) relativ geringfügig, so dass sie in der Simulation durchaus gemeinsam als ferrit-ähnliche Anteile simuliert werden können.
Während in der Basis-Simulation für die Rückumwandlung der Temperaturbereich 200°C..300°C verwendet wurde, werden hier nun höhere Bereiche 300°C..400°C und 400°C..500°C verwendet. Solche höheren Temperaturbereiche der Rückumwandlung sind charakteristisch für langsame Abkühlvorgänge.
Eine Änderung des Temperaturbereiches der γ-α-Umwandlung wirkt sich bei dem hier dargestellten Prozess nur im Verlauf der Abkühlung (oberer Kurvenast) aus. Die Ergebnisse sind in der Abbildung rechts im Vergleich zu der Basis-Simulation (schwarze Kurve) dargestellt.
Hier sind die Ergebniskurven für eine Verschiebung des Temperaturbereiches der γ-α-Rückumwandlung zu höheren Temperaturen gezeigt. Man kann sich vorstellen, dass umgekehrt eine Verschiebung zu kleineren Temperaturen eine Reduktion der Eigenspannungen ergeben kann. Dies wird zum Beispiel bei der Verwendung von LTT-Schweißzusatzwerkstoffen (LTT bedeutet Low Transformation Temperature) ausgenutzt.
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Änderung des TRIP-Effektes
Der TRIP-Effekt (Umwandlungsplastizität, transformation induced plasticity) wird durch eine reduzierte elastische Grenze im Temperaturbereich der Rückumwandlung berücksichtigt. Eine Änderung dieses Effektes (so wie bisher mit 100% simuliert) wird dadurch erreicht, dass die bisherige Reduktion der elastischen Grenze teilweise (50%) oder auch vollständig (0%) aufgehoben wird.
Die Änderung des TRIP-Effektes wirkt sich bei dem hier dargestellten Prozess nur im Verlauf der Abkühlung (oberer Kurvenast) bei der Rückumwandlung aus. Die Ergebnisse sind in der Abbildung rechts im Vergleich zu der Basis-Simulation (schwarze Kurve) dargestellt. Es ist erkennbar, dass der TRIP-Effekt die Eigenspannungen im Moment der Rückumwandlung verringert (wie ein Spannungsabbau). Bei der weiteren Abkühlung bis zu Raumtemperatur steigt die Spannung wieder an.
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