Verstärkung ermüdungsgeschädigter Stahlbauteile mittels geschweißter eisenbasierter Formgedächtnislegierungen

Z. Li, B. Herzog, R. Erlemann, K. Geißler

Bauingenieur Jahrgang 99 (2024) | Heft 06

Publikationsdatum: 06.06.2024

doi.org/10.37544/0005-6650-2024-06-40

Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Hartmut Pasternak zum 70. Geburtstag gewidmet

Zusammenfassung Die grundsätzliche Eignung geschweißter eisenbasierter Formgedächtnislegierungen (Fe-SMA) zur Verlängerung der Restnutzungsdauer von Stahlbauteilen mit Ermüdungsrissen wurde in ersten experimentellen Untersuchungen analysiert. Dazu wurden kompakte Zugproben (CT) aus einem 12 mm dicken Stahlblech gemäß ASTM-E647 hergestellt und zunächst zur Erzeugung eines 40 mm langen Risses zyklisch belastet. Anschließend wurden Streifen aus einer Fe-SMA beidseitig über den Risspositionen aufgeschweißt. Beim Schweißen an bereits geschädigten Bauteilen ist besondere Vorsicht und sorgfältige Planung geboten. Trotz des kontraintuitiven Einbringens von weiteren Schweißkerben in ein bereits ermüdungsgeschädigtes Bauteil wurden diese ersten Untersuchungen aus zwei Hauptgründen angestrebt. Zunächst sollten für neuartige Ertüchtigungsmaßnahmen alle denkbaren Verbindungsmethoden untersucht werden also neben dem Kleben und einer mechanischen Verankerung auch das Schweißen. Daneben sollte experimentell untersucht werden, dass unter den erwartbaren Versagensmodi Nahtwurzel, Nahtübergang zum Fe-SMA und Nahtübergang zum Grundmaterial nicht letzterer maßgebend wird.

Der Artikel soll einen Beitrag zum theoretischen Verständnis von Fe-SMA liefern und die grundsätzliche Eignung der Verbindung der Fe-SMA mittels Schweiße bei begrenzter Restnutzungsdauer untersuchen. Ein Teil der Proben wurde zur Aktivierung der Fe-SMA erhitzt, um eine Vorspannung zu erzeugen. Die Proben wurden erneut einer zyklischen Belastung mit konstanter Amplitude ausgesetzt, während der das Risswachstum überwacht wurde. Spannungskonzentrationen am Riss konnten wirksam reduziert werden, wodurch an den untersuchten CT-Proben eine verlängerte Restlebensdauer erreicht werden konnte. Die Versagensmodi der experimentellen Untersuchungen bestätigen, dass bei entsprechender Konstruktion und Dimensionierung keine weitere maßgebende Kerbe in direkter Umgebung des ursprünglichen Schadens in das bereits geschädigte Ausgangsbauteil eingebracht wird. Die grundsätzliche Eignung der bewährten Verbindungstechnik Schweißen für derartige Verstärkungsmaßnahmen konnte gezeigt werden. Künftig sind die nicht abschließend untersuchten Fragen hinsichtlich Optimierung der Schweißnahtgeometrie, Dimensionierung und Form der Fe-SMA mit zugehöriger Aktivierungstemperatur weiter zu untersuchen. Daneben sind vor allem die sich ergebenden Fragen für die Anwendung, zum Beispiel bezüglich Dichtheit und Reduzierung des Kerbfalls des Ausgangsbauwerk, vor dem Hintergrund der begrenzten Restnutzungsdauer des bereits geschädigten Bauteils zu untersuchen und entsprechende Empfehlungen zu erarbeiten.

Reinforcement of fatigue damaged steel components with welded iron-based shape memory alloys

Abstract The fundamental suitability of welded iron-based shape memory alloys (Fe-SMA) for extending the remaining service life of steel components with fatigue cracks was analyzed in preliminary experimental studies. For this purpose, compact tensile (CT) specimens were fabricated from a 12 mm thick steel plate in accordance with ASTM-E647. The CT specimens were first subjected to cyclic loading to generate a 40 mm long crack. Subsequently sheets of Fe-SMA were welded to both sides of the specimens at the crack locations.

Special care and careful planning are required when welding on already damaged components. Despite the counterintuitive introduction of further weld notches into an already fatigue-damaged component, these initial investigations were carried out for two main reasons. Firstly, all conceivable joining methods were to be investigated for new types of strengthening measures – i.e. welding in addition to bonding and mechanical anchoring. In addition, it was to be experimentally investigated that, among the expected failure modes of weld root, weld transition to the Fe-SMA and weld transition to the base material, the latter does not become decisive.

The paper is intended to contribute to the theoretical understanding of Fe-SMA and to investigate the basic suitability of joining Fe-SMA by means of welding when the remaining service life is limited. For this purpose, some of the specimens were heated to activate the Fe-SMA and create a prestress. The specimens were then loaded cyclically at constant amplitude while crack growth was monitored. Stress concentrations at the crack could be effectively reduced, resulting in an extended remaining service life of the CT specimens tested. The failure modes of the experimental investigations confirm that, with appropriate design and dimensioning, no further decisive notch is introduced into the already damaged initial component in the direct surroundings of the original damage.

The fundamental suitability of the established joining technique of welding for such reinforcement measures was demonstrated. In future, the questions regarding optimization of the weld seam geometry, dimensioning and shape of the Fe-SMA with the associated activation temperature, which have not been conclusively investigated, must be further examined. In addition, the resulting issues for the application, e. g. with particular focus on impermeability and reduction of the FAT class of the original structural component, must be considered with regard to the limited remaining service life of the already damaged component and corresponding recommendations must be developed.