Arten der PWHT

Eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) wird in Schweißnormen und -spezifikationen für bestimmte Werkstoffe wie Kohlenstoffstähle häufig vorgeschrieben. Die PWHT reduziert Restspannungen und verbessert gleichzeitig die Zähigkeit und Duktilität geschweißter Metallbauteile.

Die Nachwärmebehandlung (PWHT) bei höheren Temperaturen mindert und verteilt nicht nur Restspannungen, sondern kann auch Anlas-, Ausscheidungs- oder Alterungsprozesse auslösen, die zu Anlas-, Ausscheidungs- oder Alterungseffekten führen – obwohl diese metallurgischen Veränderungen die mechanischen Eigenschaften potenziell beeinträchtigen könnten; Um eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften zu vermeiden, ist es ratsam, sich hinsichtlich der optimalen Zeiten und Temperaturen für die Durchführung von PWHT-Behandlungen beraten zu lassen.

Anlassen

Durch das Anlassen werden die beim Härten entstandenen inneren Spannungen abgebaut, wodurch die Duktilität verbessert und das Risiko eines katastrophalen Versagens verringert wird. Das Anlassen erhöht zudem die Zähigkeit, sodass Werkstoffe Stößen, Belastungen sowie zyklischen Beanspruchungen besser standhalten können.

Beim Tempern werden Werkstoffe schrittweise erhitzt, um Rissbildung zu vermeiden, und anschließend über einen längeren Zeitraum bei einer bestimmten Temperatur gehalten – in der Regel eine Stunde pro Zoll Dicke. Unterschiedliche Temperaturen und Zeiten führen zu unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften; es empfiehlt sich, einen qualifizierten Metallurgen zu konsultieren, um die für diesen Prozess idealen Zeiträume und Temperaturen zu ermitteln.

Um optimale Ergebnisse zu erzielen, ist ein präzises Temperaturmanagement erforderlich; eine zu lange Einwirkzeit oder Überhitzung kann zu Verformungen oder Festigkeitsverlusten führen, wodurch Restspannungen entstehen, die die Auslegungsgrenzen überschreiten und zu Schweißnahtversagen führen. Gehärteter Stahl ist für Langlebigkeit, Zuverlässigkeit und Qualität unverzichtbar, egal ob er zur Herstellung von Sicherheitsnadeln oder für den Bau eines Stadions mit 80.000 Plätzen verwendet wird; seine bemerkenswerten optischen Merkmale geben einen sofortigen Einblick in seine Umwandlung: Hellgelbe Farbtöne stehen für Weichheit, während tiefe Blautöne auf herausragende Festigkeit und Steifigkeit hinweisen.

Normalisierung

Wärmebehandlungen nach dem Schweißen bei geschweißten Bauteilen verfeinern das Korn, reduzieren die Spannungen im Material und verbessern die Zähigkeit, was zu geringeren Verformungen bei der Endbearbeitung führt und sowohl Zeit als auch Kosten in der Produktion einspart.

Beim Normalisieren wird das Material auf Temperaturen oberhalb seines oberen kritischen Punktes (Ac3-Temperatur bei ferritisch-perlitischen Stählen) erhitzt, dort für eine der Querschnittsdicke proportionale Zeit gehalten und anschließend in ruhender Luft langsam abgekühlt. Dadurch entsteht eine Mikrostruktur aus Martensit, Bainit und Perlit, die im Vergleich zum Vollglühen zu festeren und dennoch duktilen Ergebnissen führt.

Das Normalisieren ist ein wichtiger Prozess zur Vorbereitung von Werkstoffen für nachfolgende Arbeitsschritte wie Umformen, Gießen oder Schweißen. Das Normalisieren ist zudem für Aufkohlungsprozesse von entscheidender Bedeutung, da es dazu beiträgt, Maßänderungen während der Aufkohlungszyklen zu minimieren und eine gleichmäßigere Mikrostruktur zu gewährleisten. Darüber hinaus weisen vergütete Aufkohlungsstähle nach dem Normalisieren in der Regel eine erhöhte Zähigkeit auf.

Alterung/Ausfällung

Die Ausscheidungshärtung ist ein effizientes Verfahren zur Steigerung der Festigkeit bestimmter Legierungsfamilien. Dabei werden bestimmte Verbindungen isoliert, die die Materialien miteinander verbinden und Bewegungen innerhalb ihrer Gitterstruktur verhindern, wodurch die Festigkeit erhöht und gleichzeitig die Bildung von Rissen verhindert wird.

Ähnlich wie beim Tempern erfordert die Ausscheidungshärtung ein feines Gleichgewicht zwischen den thermodynamischen Kräften, die die Keimbildung vorantreiben, und den Diffusionsbeschränkungen. Bei weiter steigender Temperatur beginnen die gelösten Partikel, ausscheidungsfreie Zonen (PFZs) zu bilden. Diese Bereiche dienen als heterogene Keimbildungsstellen für die Ausscheidungsbildung, was mechanische Eigenschaften wie Zugfestigkeit und Duktilität drastisch verändern kann.

Größe und Form der Ausscheidungen bestimmen die Härte des Werkstoffs. Eine PFZ mit groben b’-Ausscheidungen, die entlang der Korngrenzen verteilt sind, ist ideal für die Festigkeitssteigerung und die Verbesserung der Duktilität; bei der Spannungsalterung kommt es jedoch häufig zu einer gleichmäßigeren Verteilung feinerer, nadelartiger Ausscheidungen, je näher man dem Höhepunkt der Alterung kommt.

Wasserstofffreisetzung

In dieser Studie wurden zylindrische Zugproben aus Schweißkonstruktionsquerschnitten sowohl im geschweißten Zustand (AW) als auch im renormalisierten und angelassenen PWHT-2-Materialzustand für zyklische Prüfungen bei Raumtemperatur unter wasserstofffreien und elektrolytisch mit Wasserstoff angereicherten Bedingungen bei Raumtemperatur gefertigt. Die gewonnenen mechanischen Daten wurden anschließend mit mikrostrukturellen Beobachtungen sowie fraktografischen Befunden in Zusammenhang gebracht.

Die PWHT-Behandlung verringerte die Anfälligkeit der Schweißkonstruktionen für Wasserstoffversprödung im Vergleich zu den AW-Bedingungen erheblich, was auf die durch die PWHT hervorgerufene Erweichung des Schweißmetalls zurückzuführen ist, die bei zyklischer Beanspruchung zu einer stärkeren Dehnungsakkumulation an der GBF entlang der HAGB führte.

Dies zeigte sich bei steigender Wasserstoffkonzentration, gemessen anhand einer Abnahme der Last-Verformungs-Kurven “Rm” und “Rp0,2” sowie der maximalen Bruchdehnung (“ELmax”). Zudem war die Duktilität bei hohen Wasserstoffgehalten erheblich verringert – insbesondere bei renormierten und angelassenen PWHT-WM-Proben, bei denen bei 4 ml/100 g Fe eine unerwartete Abnahme auftrat.