Untersuchungen des Bauschinger-Effektes an thermomechanisch gewalzten Grobblechen unterschiedlicher Wärmebehandlungszustände

Abstract

Thermomechanisch gewalzte Grobbleche werden für die Herstellung von gas- und ölführenden Pipelines für Onshore- als auch Offshoreanwendungen verwendet. Beim UOE - Verfahren werden diese Grobbleche in mehreren Schritten zu Rohren gebogen, längs geschweißt und mechanisch expandiert. Aufgrund der unterschiedlichen plastischen Verformungsgrade, die die Bleche bei der Umformung erfahren, stellt sich ein nichtlineares Festigkeitsverhalten über die Blechdicke ein. Die auftretenden Entfestigungen nach Umkehr der Verformungsrichtung sind als Bauschinger Effekt bekannt, welcher erstmals 1886 von Johann Bauschinger beschrieben wurde. Um genauere Kenntnisse des Einflusses der Wärmebehandlungszustände auf den Bauschinger Effekt zu erhalten, werden die thermomechanisch gewalzten Bleche in unterschiedlichen Zuständen untersucht. Dabei kommen 3 Methoden (Druck- und anschließender Zugversuch, Stauchzugversuch und Flachzugversuch an gebogenen Rohrstücken) zur Charakterisierung der mechanischen Kennwerte zum Einsatz. Die Berechnung der Bauschinger-Effekt-Faktoren beruht auf ingenieurmäßigen Überlegungen, die für das anwendungsbezogene Verständnis in dieser Arbeit neu aufgestellt werden. Um die mechanischen Eigenschaften mit den Gefügezuständen zu korrelieren, sind Diffraktionsmessungen, sowohl mit konventionellen Röntgen- als auch Synchrotronstrahlen, durchgeführt worden. Ddabei kann lediglich der Ferritanteil gemessen werden, welcher auch in anderen Phasen wie Perlit oder Bainit vorkommt.Nanohärteuntersuchungen an Blechen verschiedener Festigkeitsklassen und Wärmebehandlungszustände sowie ergänzende metallographische Methoden (EBSD und Lichtmikroskopie) zeigen die Korrelation zwischen dem Gefüge und den Wärmebehandlungszuständen der Grobbleche. Bleche mit einer "verspannten" Gefügestruktur (z.B. Bainit und Martensit) weisen im Gegensatz zu Blechen mit einem hohen Ferritanteil hohe Bauschinger Effekte auf. Es konnte gezeigt werden, dass bei einem aus reinem Ferrit bestehenden Blech kein signifikanter Bauschinger Effekt auftritt, was den Einfluss der Kristallanisotropie vernachlässigbar macht. Ebenso wurde gezeigt, dass mit zunehmender Festigkeit der geprüften Bleche, und einem daraus folgenden hohen Streckgrenzenverhältnis Rp0,2/Rm, der Bauschinger Effekt zunimmt. Der Bauschinger Effekt gehärteter Bleche ist im Allgemeinen geringer als der im Walzzustand. Angelassene und vergütete Bleche weisen gemeinsam mit den Walzzuständen die höchsten BE auf, während Alterungsbehandlungen den Bauschinger Effekt verringern.

Thermomechanically rolled heavy plates are used for the fabrication of gas and oil pipelines. These pipelines are formed by the UOE method. There, the plates are bent, longitudinally welded and mechanically expanded. Due to the plastic deformation of the plates during the fabrication a non linear strength behavior over the plate thickness occurs. In 1886, Johann Bauschinger found that softening occurs when a material is loaded in different directions (tensile or compression). In order to understand the influence of heat treatment conditions on the Bauschinger effect better, the thermomechanically rolled sheets were tested in different states. 3 methods(compression and subsequent tensile tests, compression-tensile tests and flat tensile tests of pieces from bent pipe) are used to characterize the mechanical properties. The calculation of the Bauschinger effect factors is based on engineering considerations, which are set up for the new application-based analysis of this work. Diffraction measurements using conventional x-ray and synchrotron sources have been performed to correlate the mechanical properties with the structural conditions. Only the ferrite can be measured, which also occurs in other phase combinations such as pearlite or bainite. Nano-hardness tests on sheets of different grades and heat treatment conditions, as well as complementary metallographic methods such as EBSD and light optical microscopy show the correlation between the microstructure and the heat treatment of the plates. Plates with a "stressed" microstructure (eg bainite or martensite) have high Bauschinger effects as opposed to sheets with only ferrite/pearlite structure. It was shown, that a sheet made of pure ferrite does not produce a Bauschinger effect, therefore the theory of anisotropy is neglected. It was also shown that with increasing strength of the tested plates with a resulting high yield ratio Rp0,2/Rm, the Bauschinger effect.