Fracture behaviours of fracture toughness testing specimens with metallurgical heterogeneity along crack front

Abstract

Safe use of welded structures is dependent on fracture mechanics properties of welded joints. In present research, high strength low alloyed HSLA steel in a quenched and tempered condition, corresponding to the grade HT 80, was used. The fluxo cored arc welding process (FCAW), with CO2 as shielding gas, was used and two different tubular wires were selected. The aim of this paper is to analyse fracture behaviour of undermatched welded joints, and also to determine relevant parameters which contribute to higher critical values of fracture toughness. Towards this end three differently undermatched welded joints were analysed using results of testing the composite notched specimens with through thickness crack front positioned partly in the weld metal, partly in heat affected zone (HAZ) and partly in base material (BM).The presence of different microstructures along the pre-crack fatigue front has an important effect on the critical crack tip opening displacement (CTOD). This value is the relevant parameter for safe service of welded structure. In the case of specimens with through thickness notch partly in the weld metal, partly in the heat affected zone and partly in the base material, i.e. using the composite notched specimen, fracture behaviour strongly depends on a partition of ductile base material, size and distribution of mismatching factor along vicinity of crack front. If local brittle zones occur in the process zone, ductile base metal can not prevent pop-in instability, but it can reduce it to an insignificant level while the fracture toughness parameter is higher and the weakest link concept can not be applied. Der sichere Einsatz geschweißter Bauteile hängt von den bruchmechanischen Eigenschaften der Schweißverbindung ab. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit hochfesten niedriglegierten -HSLA- Stählen im vergüteten Zustand, entsprechend der Sorte HT 80. Als Fügeverfahren wurde das Lichtbogenschweißen mit CO2 als Schutzgas ausgewählt, als Zusatzwerkstoff kamen zwei verschiedene Fülldrähte zum Einsatz. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, das Bruchverhalten von von artfremden Schweißverbindungen zu analysieren und außerdem die für höhere kritische Bruchzähigkeitswerte maßgebenden Parameter zu bestimmen. Dazu wurden drei verschiedene, artfremde Schweißverbindungen analysiert. Dabei wurden die Ergebnisse aus den Versuchen mit verbundgekerbten Proben, bei denen die Rißfront in Dickenrichtung jeweils zum Teil im Schweißgut, in der Wärmeeinflußzone (WEZ) und im Grundwerkstoff verlief, zu Hilfe genommen. Die Gegenwart unterschiedlicher Gefüge entlang der Front wirkt sich deutlich auf die kritische Rißaufweitung CTOD aus. Dieser Wert ist der ausschlaggebende Parameter für einen sicheren Betrieb geschweißter Bauteile. Bei Proben mit Kerb in Dickenrichtung, der durch Schweißgut, WEZ und Grundwerkstoff verläuft, hängt das Rißverhalten stark von der Verteilung des duktilen Grundwerkstoffs sowie vom Versatz der Rißfront ab. Treten örtlich spröde Phasen auf, so kann auch ein duktiler Grundwerkstoff eine instabile Teilentlastung nicht verhindern, sondern sie lediglich auf ein unbedenkliches Maß reduzieren. Der Bruchzähigkeitswert ist höher und das Konzept der schwächsten Verbindung kann nicht angewendet werden.