Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft eine Legierung auf Titanbasis mit
einer Kombination aus hoher Festigkeit und Zähigkeit.
Beschreibung des Standes der Technik
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Legierungen auf Titanbasis werden bekanntlich auf den
verschiedensten Bau- bzw. Konstruktionseinsatzgebieten, auf
denen das Festigkeit/Gewicht-Verhältnis von Titan
erforderlich ist, verwendet. Insbesondere gibt es
Einsatzmöglichkeiten für Legierungen auf Titanbasis, bei welchen die
Legierung zur Produktion von Bauteilen, einschließlich von
Schiffbauteilen, die periodisch hohen Drücken ausgesetzt sind,
z.B. zur Konstruktion von Druckgefäßen und Bootskörpern von
Unterseebooten, in Blechform verarbeitet wird. Auf diesen
Einsatzgebieten ist es wichtig, daß die Legierung eine
Kombination von hoher Festigkeit und Zähigkeit, insbesondere
Bruchzähigkeit, aufweist. Speziell unter diesem
Gesichtspunkt ist es wichtig, daß die Legierung bei beginnender
Rißbildung und Fortschreiten derselben in Gegenwart eines
Defekts bruchbeständig ist, wenn das Bauteil mit oder aus
dieser Legierung einem hohen Druck ausgesetzt wird. Darüber
hinaus ist es wichtig, daß die Legierung eine hohe
Festigkeit und Zähigkeit sowohl in geschweißtem als auch
nichtgeschweißtem Zustand aufweist, da Bauteile dieses Typs durch
Schweißen hergestellt werden. Bei Einsatz auf dem
Schiffbaugebiet ist es auch erforderlich, daß die Legierung in einer
wäßrigen 3,5-%igen NaCl-Lösung in hohem Maße gegen
Spannungsrißkorrosion (SCC) beständig ist.
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Ein Schweißdraht aus einer Titanlegierung ist aus der
SU-A-436 717 bekannt. Die Legierung besteht aus (in Gew. -%)
4,7-5,8 Al, 2,2-3,5 Zr, 1,3-3,2 V, 0,8-1,5 Mo, 1-2 Sn und
zum Rest Ti. Schweißungen aus diesem Draht zeichnen sich
durch eine verbesserte Festigkeit und Wärmestabilität aus.
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Eine Titanlegierung verbesserter mechanischer Eigenschaften
ist aus der SU-A-447 450 bekannt. Die Legierung besteht aus
(in Gew.-%) 2-6 Al, 1,0-3,8 Mo, 0,7-2,5 V, 0,05-0,015 (sic)
Sauerstoff, 0,005-0,015 Wasserstoff und zum Rest Ti.
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Eine weitere Legierung auf Titanbasis zur Verwendung beim
Schweißen ist aus Chemical Abstracts 96(6):39354a bekannt.
Die Zusammensetzung ist in RN = 80264-38-6 beschrieben. Sie
besteht zu 93% aus Ti, zu 4,5% aus Al, zu 1,7% aus V und zu
0,8% aus Mo.
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Andere Legierungen auf Titanbasis mit der für eine zyklische
Hochdruckapplikation erforderlichen Eigenschaftskombination
sind bekannt. Damit jedoch bei diesen bekannten Legierungen
die gewünschte Kombination von hoher Festigkeit und
Zähigkeit erreicht wird, erfordern sie relativ hohe Gehalte an
Niob und/oder Tantal. Bei diesen Elementen handelt es sich
um teure Legierungszusätze, die in erheblichem Maße zu den
Kosten der Legierung beitragen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine graphische Darstellung, aus der der
Einfluß des Sauerstoffgehalts auf die Streckfestigkeit
(YS) für die Legierung Ti-5Al-2Zr-2V-0,5Mo
hervorgeht;
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Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, aus der der
Einfluß des Sauerstoffgehalts auf die Energiezähigkeit
(W/A) für die Legierung Ti-SAL-2Zr-2V-0,SMO
hervorgeht, und
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Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, aus der der
Einfluß des Sauerstoffgehalts auf die Energiezähigkeit
(W/A) der Schweißung der Legierung Ti-5A1-2Zr-2V-
0,5Mo hervorgeht.
Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist folglich eine Hauptaufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine zur Produktion von Blechen zur Verwendung bei der
Herstellung eines geschweißten Bauteils geeignete Legierung
auf Titanbasis, die sowohl in geschweißtem als auch
ungeschweißtem Zustand eine hohe Festigkeit und Zähigkeit,
insbesondere Bruchzähigkeit und darüber hinaus einen hohen Grad
an Beständigkeit gegen Spannungsrißkorrosion (SCC) in einer
wäßrigen 3,5%igen NaCl-Lösung aufweist, bereitzustellen.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der
Bereitstellung einer Legierung mit den genannten Eigenschaften, die
eine relativ wirtschaftliche Zusammensetzung aufweist und
keine signifikanten Zusätze an teuren Legierungselementen
erfordert.
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Gegenstand der Erfindung ist somit ganz allgemein eine
Legierung auf Titanbasis, die im wesentlichen aus (in Gew.-%) 4
bis 5,5, vorzugsweise 4,5 bis 5,5 oder 5 Aluminium, bis zu
2,5, vorzugsweise 0,5 bis 1,5 oder 1 Zinn, bis zu 2,5,
vorzugsweise 0,5 bis 1,5 oder 1 Zirkonium, 0,5 bis 2,5,
vorzugsweise 0,5 bis 1,5 oder 1 Vanadium, 0,3 bis 1, vorzugsweise
0,6 bis 1 oder 0,8 Molybdän, bis zu 0,15, vorzugsweise 0,07
bis 0,13 oder 0,1 Silicium, 0,04 bis 0,12, vorzugsweise 0,07
bis 0,11 oder 0,09 Sauerstoff, 0,01 bis 0,12, vorzugsweise
0,01 bis 0,09 oder 0,07 Eisen und zum Rest Titan und
beiläufigen
Verunreinigungen besteht.
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Die Legierung eignet sich besonders gut zur Produktion
geschweißter Bauteile. Zu diesem Zweck wird in typischer Weise
die Legierung einer Vakuumlichtbogenschmelzung unterworfen,
geschmiedet und dann zu Blechen ausgewalzt. Die Bleche
werden schließlich zur Bildung der gewünschten Konstruktion
bzw. Bauteile geschweißt.
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Wie noch gezeigt werden wird, muß bei der erfindungsgemäßen
Legierung Aluminium zulegiert werden, um ihr
Streckfestigkeit zu verleihen. Wenn jedoch Aluminium die erfindungsgemäß
einzuhaltenden Grenzen überschreitet, beeinträchtigt es die
Zähigkeit der Schweißung. Ferner ist von hohen
Aluminiumanteilen allgemein bekannt, daß sie die
SCC-Widerstandsfähigkeit beeinträchtigen.
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Zinn besitzt im Hinblick auf eine Verbesserung der
Streckfestigkeit dieselbe Funktion wie Aluminium, allerdings
weniger ausgeprägt.
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Zirkonium sorgt für eine schwache Verfestigungswirkung bei
schwacher Beeinträchtigung der Zähigkeit und insbesondere
der Zähigkeit der Schweißung. Folglich ist Zirkonium im
Hinblick auf die Gewährleistung der gewünschten Kombination
von hoher Festigkeit mit Zähigkeit von Vorteil.
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Silicium ist als Verstärkungselement für eine feste Lösung
vorhanden. Wird jedoch die erfindungsgemäß für Silizium
festgelegte Grenze überschritten, führt dies dazu, daß der
Siliciumanteil das Löslichkeitslimit überschreitet und Somit
eine signifikante Silicidbildung stattfinden kann. Diese
beeinträchtigt die gewünschte Zähigkeit der Legierung. In
dieser Hinsicht trägt Zirkonium in vorteilhafter Weise zu
einer Siliciddispergierung bei, da es die vorhändenen
Silicide
kleiner macht und gleichmäßig dispergiert. Dadurch, daß
dann eine feine gleichförmige Dispersion irgendwelcher
vorhandener Silicide vorliegt, wird die negative Wirkung der
Silicide auf die Zähigkeit vermindert.
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Vanadium ist als beta-Stabilisator vorhanden. In den
vorhandenen Mengen besitzt es keinen signifikanten Einfluß auf die
Festigkeit oder Zähigkeit, es verbessert aber bekanntlich
die Schmiede- und Walzeigenschaften.
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Molybdän besitzt in den in der Legierung enthaltenen Mengen
allenfalls einen geringen Einfluß auf die Festigkeit. Es
verbessert jedoch in signifikanter Weise die Zähigkeit in
nichtgeschweißtem Zustand und stellt folglich in dieser Hinsicht
einen wesentlichen Legierungszusatz dar. Wenn jedoch die
erfindungsgemäß einzuhaltende Obergrenze für Molybdän
überschritten wird, wird in signifikanter Weise die Zähigkeit
der Legierungsschweißungen beeinträchtigt. Insbesondere
kommt es in dieser Hinsicht beim Überschreiten der
Molybdänobergrenze zu einer Härtung in der durch die Schweißwärme
beeinflußten Zone unter gleichzeitigem Verlust der Zähigkeit
in diesem Bereich.
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Die Anwesenheit von Sauerstoff innerhalb der erfindungsgemäß
einzuhaltenden Grenzen verbessert die Festigkeit. Wenn
jedoch die Obergrenze überschritten wird, wird die Zähigkeit
beeinträchtigt. Ein hoher Sauerstoffgehalt vermindert
bekanntlich in der Regel auch die SCC-Widerstandsfähigkeit.
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In gleicher Weise sorgt Eisen für eine Verfestigungswirkung.
Es beeinträchtigt jedoch die Zähigkeit der Schweißung und
muß somit innerhalb der erfindungsgemäß einzuhaltenden
Grenzen gehalten werden.
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In den Beispielen und durchgängig durch die Beschreibung und
Ansprüche bedeuten - sofern nicht anders angegeben -
sämtliche Angaben "Teile" und "Prozente" Gewichtsteile bzw.
Gewicht sproz ente.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Wie bereits ausgeführt, ist es bei Bau- bzw.
Konstruktionsapplikationen, bei denen eine Kombination von hoher
Festigkeit und Zähigkeit erforderlich ist, wenn das Bauteil bzw.
die Konstruktion einer zyklischen bzw. periodischen
Druckeinwirkung ausgesetzt ist, sinnvoll, daß die Legierung, aus der
das Bauteil bzw. die Konstruktion besteht, gegen ein
Fortschreiten der bzw. eine fortschreitende Rißbildung bei
dieser zyklischen bzw. periodischen Druckeinwirkung beständig
gemacht wird. Wie durch die hier präsentierten Daten belegt
wird, wird mit der erfindungsgemäßen Legierung eine
Verbesserung der Energiezähigkeit erreicht. Diese Verbesserung steht
in überraschender Weise in keiner Beziehung zur linearen
elastischen Bruchzähigkeit.
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Während der vergangenen beiden Dekaden haben die mit der
Entwicklung bruchkritischer Legierungen, wie sie für einen
Einsatz in der Luft- und Raumfahrt erforderlich sind, befaßten
Metallurgen die linear-elastische Bruchmechanik
(LEFM)-Methode für die Ausgestaltung (der Legierungen) benutzt. Aufgrund
dieser Methode wurde eine als Bruchzähigkeit (Kc) bekannte
Werkstoffeigenschaft als üblicher Designparameter gewählt.
Vereinfacht ausgedrückt, wird die Fähigkeit des Werkstoffs,
eine einwirkende Belastung in Gegenwart eines Risses (oder
Sprungs) ohne katastrophalen Ausfall bzw. Defekt aushalten
zu können, durch die LEFM-Bruchzähigkeit wie folgt
ermittelt:
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In der Gleichung bedeuten:
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Kc LEFM-Bruchzähigkeit (ksi-in1/2)
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c die kritische Belastung (ksi)
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ac die kritische Rißgröße (in)
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Da Kc eine Werkstoffkonstante darstellt, ist klar, daß bei
steigender Rißgröße die kritische Belastung proportional
sinkt. Wenn andererseits die einwirkende Belastung steigt,
sinkt die tolerierbare Rißgröße. Solche Prinzipien werden
oftmals bei der Gestaltung von bruchkritischen Bauteilen
bzw. Konstruktionen herangezogen.
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Es wurden zahlreiche Titanlegierungen und Verfahren
entwickelt, um die LEFM-Bruchzähigkeitskennwerte des Werkstoffs
zu maximieren. So wurde beispielsweise eindeutig belegt, daß
eine beta-behandelte Mikrostruktur einer alpha- oder
alpha/beta-Legierung eine deutlich höhere LEFM-Bruchzähigkeit
aufweist als eine alpha/beta-behandelte Mikrostruktur. Es wurde
auch gezeigt, daß die Chemie die LEFM-Bruchzähigkeit
beeinflußt. So wurde beispielsweise bei der bekannten Ti-6Al-4V-
Legierung gezeigt, daß durch eine Erniedrigung des
Sauerstoffanteils von dem (Standard-) Wert von 0,18 Gew.-% auf
den (ausgesprochen niedrigen interstitiellen) Wert von 0,13
Gew.-% eine - allerdings auf Kosten der Festigkeit
gehendedeutliche Verbesserung der LEFM-Bruchzähigkeit erreicht
wird. Somit ist sowohl von der Chemie als auch der
Mikrostruktur bekannt, daß sie die LEFM-Bruchzähigkeit
beeinflussen.
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In den vergangenen Jahren kam ein neues Designkriterium auf,
nämlich dasjenige der Energiezähigkeit. Der Hauptunterschied.
zwischen der LEFM-Methode und der Energie-Methode ist, daß
die LEFM-Methode von der Voraussetzung ausgeht, daß ein Riß
in katastrophaler Weise fortschreitet, sobald der Werkstoff
über elastisches Verhalten hinausgeht, und zwar unabhängig
davon, ob bereits tatsächlich eine Rißausbreitung begonnen
hat. Bei der Energie-Methode wird die tatsächliche
Ausdehnung des Risses gemessen und die zum physikalischen Starten
des Rißausdehnungsprozesses erforderliche Energie bestimmt.
Die energiebezoge Zähigkeit wird üblicherweise in Einheiten
wie in-lb/in² oder kJ/m² angegeben.
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Zur Bestimmung dieser Eigenschaft wurde der
Charpy-Langsambiegebruchtest mit vorgerissenem Prüfling als relativ
rascher und preisgünstiger Sichtungstest zum Testen der
Bruchzähigkeit gewählt. Dieser Test hält die strengen
Anforderungen der Vorschrift ASTM E399-78 zum Testen der
linearelastischen Bruchzähigkeit (KIc) bzw. der Vorschrift ASTM
E813-81 zum Testen der plastischen Bruchzähigkeit (JIc)
nicht ein, er eignet sich jedoch zum Vergleich von
Legierungen einer gegebenen Klasse. Die verwendeten Prüflinge waren
von ähnlicher Gestalt wie der
Standard-Charpy-Schlagzähigkeitsprüfling mit V-Kerbe (ASTM E23-72) mit Ausnahme einer
größeren Tiefe und eines kleineren Kerbgrundradius. Die
größere Tiefe verbesserte die Kontrolle des Rißwachstums
sowohl während der Ermüdungsvorrißbildung als auch beim
Bruchtest. Der kleinere Kerbgrundradius erleichterte die
Einleitung des Ermüdungsvorreißens.
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Die Prüflinge wurden durch zyklische Belastung im Rahmen
eines Dreipunktbiegens mit einem
Minimal-/Maximall-Verhältnis von 0,1 vorgerissen. Die Vorreißbedingungen entsprachen
den Anforderungen der Vorschrift ASTM D399-78. Die maximale
Belastungsintensität des Ermüdungszyklus, Kf (max), reichte
am Ende des Vorreißens von 23 bis 37,7 MPa in1/2 (21 bis 34,3
ksi in1/2). Die Vorrisse wurden bis auf eine Länge von 4,6 mm
(0,18 in) (einschließlich der Kerbtiefe) an den
Prüflingsseiten wachsen gelassen. Wegen der Rißfrontkrümmung waren
die Risse im Durchschnitt über die Dicke etwa 4,8 mm (0,19
in) lang. Dies führte zu einem Vorrißlänge/Tiefe-Verhältnis
(a/W) bei den Prüflingen von etwa 0,4. Nach dem Vorreißen
wurden die Prüflinge seitlich bis zu einer Gesamttiefe von
10% der Dicke ausgehöhlt, um eine Scherlippenbildung zu
unterdrücken. Auch dies trug zu einer Minimierung der
Rißkrümmungsprobleme bei.
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Die Prüflinge wurden auf einer
Dreipunktbiegehaltevorrichtung entsprechend den Vorschriften ASTM E399-78 und ASTM
E813-81 bei einem Einspannlänge/Tiefe-Verhältnis (S/W) von 4
getestet. Auf der Rückseite der Biegehaltevorrichtung war
ein Dehnungsmesser zur Bestimmung der Auslenkung des
Prüflings in der Mitte des Einspannbereichs befestigt. Die Tests
wurden unter Auslenkungssteuerung vom Dehnungsmesser bei der
konstanten Auslenkungsgeschwindigkeit von 0,32 mm (0,0125
in)/min durchgeführt. Die Werte Last gegen Auslenkung wurden
automatisch aufgezeichnet. Die Prüflinge wurden mit der
maximalen Last (Pmax) belastet und bei entweder 0,90 oder 0,75
Pmax entlastet bzw. entspannt.
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Vor dem Testen wurden die Prüflinge kurzzeitig auf 482ºC
(900ºF) erwärmt, um die vorgerissenen Oberflächen anlaufen
zu lassen. Nach dem Testen erfolgte eine (weitere)
Wärmetönung bei 427ºC (800ºF), um die Rißwachstumsfläche zu
markieren. Schließlich wurden sie in einer
Pendelschlagtest-Vorrichtung gebrochen. Die Vorrißlänge und die dem
Entspannungspunkt entsprechende Gesamtrißlänge wurden auf der
Bruchoberfläche an fünfim gleichen Abstand befindlichen Punkten quer
über die Nettoprüflingsdicke gemessen. Die Messung erfolgte
mit einem Mikrometer-geeichten Mikroskop-Verschiebetisch.
Die Gesamtfläche innerhalb der Belastungs/Entspannungs-
Schleife der Last/Auslenkung-Aufzeichnung und die Fläche bis
zur maximalen Belastung wurden mit einem Planimeter
ausgemessen.
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Aus jedem Test wurden die folgenden drei
Bruchzähigkeitsparameter errechnet:
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In den Gleichungen bedeuten:
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KQ konditionaler linear-elastischer
Bruchzähigkeitsparameter - MPa m1/2 (ksi in1/2)
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W/A Energiezähigkeit als pro Einheit der Rißwachstumsfläche
absorbierte durchschnittliche Energie - kJ/m²
(in-lb/in²)
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Jm elastisch-plastischer Bruchparameter (J-Integral) bei
maximaler Belastung - kJ/m² (in-lb/in²)
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PQ konditionale Belastung am Schnittpunkt der 5%
-Schnittlinie mit der Last/Auslenkung-Aufzeichnung - kN (lb)
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S Prüflingsträgerspannweite - cm (in)
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B Prüflingsdicke - cm (in)
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BN Nettoprüflingsdicke zwischen den seitlichen Aushöhlungen
- cm (in)
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W Prüflingstiefe - cm (in)
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a&sup0;³ gemessene Vorrißlänge (Durchschnitt) der Längen an zwei
Punkten bei einem Viertel der Dicke und einem Punkt in
der Mitte der Dicke - cm (in)
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f(a&sup0;³/W) Rißlängenfunktion (die Gleichung findet sich in der
Vorschrift ASTM E399-78) - dimensionslos
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AL Gesamtfläche inerhalb der Belastungs/Entspannungs-
Schleife der Last/Auslenkung-Aufzeichnung - cm² (in²)
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C&sub1; Last-Skalenfaktor auf dem x-y-Rekorder - kN/m (lb/in)
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C&sub2; Auslenkungs-Skalenfaktor auf dem x-y-Rekorder - cm/cm
(in/in)
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a&sup0;&sup5; gemessene Vorrißlänge (Durchschnitt der Längen an
sämtlichen fünf Meßpunkten) - cm (in)
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a> &sup5; gemessene Gesamtrißlänge entsprechend dem
Entspannungspunkt (Durchschnitt der Längen an sämtlichen fünf
Meßpunkten) - cm (in)
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Am Fläche unter der Lastkurve bei maximaler Last - cm²
(in²)
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In Tabelle I sind die metallurgischen Zusammensetzungen für
die bei der Entwicklung und Veranschaulichung der Erfindung
produzierten Schmelzchargen angegeben.
Tabelle I
Gew.-% - Rest Titan
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* Beispiele, die unter Anspruch 1 fallen.
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Tabelle II enthält Daten über die mechanischen Eigenschaften
der Schmelzchargen von Tabelle I.
Tabelle II
Tabelle II - Fortsetzung
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YS = Streckfestigkeit, ksi
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TS = Zugfestigkeit, ksi
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W/A = Energiezähigkeit, in lbs/in²
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KQ = Lineare elastische Bruchzähigkeit, ksi-in1/2
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* Beispiele, die unter Anspruch 1 fallen.
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Die in Tabelle II enthaltenen Ergebnisse belegen, daß mit
den erfindungsgemäßen Legierungen im Vergleich zu den
Bezugslegierungen oder bekannten Legierungen eine
Schweißenergiezähigkeitsverbesserung ohne entsprechende Verbesserung der
linearen elastischen Bruchzähigkeit erreicht wurde. Folglich
zeigen die erfindungsgemäßen Legierungen Beständigkeit gegen
rasches Weiterreißen, nachdem eine Rißbildung einmal
begonnen hat. Wie bereits diskutiert, stellt diese Eigenschaft
eine wichtige erwünschte Eigenschaft bei den
erfindungsgemäßen Legierungen dar.
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Ein Verfahren zur Veranschaulichung der Wirkungen der
verschiedenen Legierungselemente auf die mechanischen
Eigenschaften entsprechend Tabelle I und II besteht darin, die
Daten der Tabellen I und II der multiplen linearen
Regressionsanalyse zu unterwerfen. Hierbei handelt es sich um ein
mathematisches zu einer Gleichung führendes Verfahren, wobei
der Näherungswert einer signifikanten Eigenschaft aus der
chemischen Zusammensetzung der Legierung errechnet werden
kann. Dieses Verfahren unterstellt, daß der Einfluß eines
Elements linear ist, d.h. gleiche Inkremente des Elements zu
gleichen Änderungen im Wert der fraglichen Eigenschaft
führen. Dies ist nicht immer der Fall, wie später für
Sauerstoff gezeigt werden wird. Das Verfahren bietet jedoch eine
bequeme Möglichkeit zu einer gewissen Trennung und
Quantifizierung der Einflüsse der verschiedenen Elemente in einer
Reihe komplexer Legierungen.
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Die Tabelle III enthält die Ergebnisse multipler linearer
Regressionsanalysen der Daten von Tabelle I und II. Bei
diesen Berechnungen wurden lediglich die in die Klasse
erfindungsgemäßer Legierungen fallenden Legierungen benutzt. Ein
Beispiel für die Benutzung der Tabelle III ist die Gleichung
für die Grundstreckfestigkeit (YS) einer Legierung:
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Grundstreckfestigkeit (Grund-YS) (ksi) = 34,8 + 8,9 (% Al) +
3,04 (% Sn) + 2,02 (% Zr) + 0,2 (% V) + 13,6 (% Fe) + 106,7
(% 02) + 67 (% Si)
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Dies bestatigt die zuvor erwähnten verfestigenden Wirkungen
von Aluminium, Zinn, Zirkonium, Eisen, Sauerstoff und
Silicium. Hinsichtlich der Energiezähigkeit des Grundwerkstoffs
besitzen Aluminium, Zinn, Zirkonium, Eisen und Sauerstoff,
insbesondere die beiden letzteren, schädliche Wirkungen.
Vanadium, Molybdän und Silicium sind für diese Eigenschaft
von Vorteil. Die Energiezähigkeit der Schweißungen wird
durch Aluminium, Eisen und Sauerstoff weit stärker als
diejenige des Grundmetalls beeinträchtigt. Für keines der
sonstigen Elemente fanden sich Belege für irgendwelche
signifikanten Wirkungen, ob gut oder schlecht, auf die
Schweißungsenergiezähigkeit.
Tabelle III
Ergenisse von multiplen linearen Regressionsanalysen der Daten der Tabellen I & II
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Verwendungsbeispiel : Grund-YS (in ksi) = 34,8 + (% Al) + 3,04 (% Sn) + 2,02 (% Zr)
+ 0,2 (% V) + 13,6 (% Fe) + 106,7 (% O&sub2;)
+ 67 (% Si)
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Aus Tabelle III und den Fig. 1, 2 und 3 geht hervor, daß
Sauerstoff innerhalb der erfindungsgemäß einzuhaltenden
Grenzen in signifikanter Weise zu einer Verfestigung beiträgt.
Oberhalb der erfindungsgemäß einzuhaltenden Obergrenze
beeinträchtigt Sauerstoff die Zähigkeit der Legierung. Wie aus
Fig.l hervorgeht, ist der Einfluß von Sauerstoff auf die
Streckfestigkeit linear. Ein erhöhter Sauerstoffanteil führt
zu einer entsprechenden Erhöhung der Streckfestigkeit. Im
Gegensatz ist - wie Fig. 2 und 3 zeigen - der Einfluß von
Sauerstoff auf die Zähigkeit nichtlinear. Insbesondere dann,
wenn Sauerstoff über die erfindungsgemäß einzuhaltenden
Grenzen steigt, kommt es zu einer drastischen Verschlechterung
der Zähigkeit. Obwohl Sauerstoff im Hinblick auf das
Erreichen der erforderlichen Festigkeit von Vorteil ist, darf er
konsequenterweise die erfindungsgemäß einzuhaltende
Obergrenze nicht übersteigen&sub1; wenn eine solche Zähigkeit erhalten
bleiben muß, daß die gewünschte Kombination aus hoher
Festigkeit und Zähigkeit erreicht wird.
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Im Hinblick auf die Wirkung von Eisen sei auf Tabelle III
verwiesen. Die darin enthaltenen Daten belegen, daß die
Erhöhung des Eisenanteils über die erfindungsgemäß
einzuhaltende Obergrenze hinaus zwar die Festigkeit erhöht, jedoch zu
einer ernsthaften Verschlechterung der Zähigkeit,
insbesondere bei der Schweißung, führt.
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Ein Molybdänzusatz von über 1%, insbesondere in Kombination
mit einem Vanadiumzusatz von über 1% scheint im allgemeinen
zu einer übermäßigen Härtung in den durch die Schweißwärme
beeinflußten Zonen (HAZ) zu führen. Dies wird bei den
Schmelzchargen B5371, B5374 bis B5377, B5088 und B5093,
B5170 und B5126 und letztlich B5278 und B5121 von Tabelle IV
gezeigt. Diese Tabelle faßt die Ergebnisse einer
250-g-Knopfschmelzstudie zur Bewertung der Chemismuseinflüsse bei
Schweißungen zusammen. Bei dieser Studie wurden 2,54 mm
(0,1") dicke, aus den 250-g-Knopfschmelzchargen gewalzte
Bleche autogen geschweißt. Danach erfolgten Härtemessungen
von der Schmelzungszone über die HAZ (wärmebeeinflußte Zone)
und in das Grundmetall. Da die Festigkeitsunterschiede
zwischen der HAZ und dem Grundmetall möglichst gering sein
sollten, war ein geringer Härteunterschied zwischen der HAZ und
dem Grundmetall erwünscht. Während frühere Daten zeigten&sub1;
daß Molybdän ein zweckmäßiger Zusatz zur Verbesserung der
Grundmetallzähigkeit darstellt, legen die Ergebnisse der
Tabelle IV nahe, daß der Molybdänzusatz 1% nicht übersteigen
sollte. Die Schmelzchargen B5374 bis B5378 zeigen, daß
Molybdän selbst in Gegenwart von 3% Vanadium in einer Menge
von 0,5% einen sicheren Zusatz bildet.
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Die Schmelzchargen B5250 bis B5255 und B5170, B5179 und
B5180 dienten zur Bewertung der Einflüsse von Eisenzusätzen
von bis zu 0,5% und zum Vergleich dieser Einflüsse mit einem
Zusatz von 0,5% Molybdän bzw. 1% Vanadium. Die Ergebnisse
belegen, daß Eisen eine stärkere Verfestigungswirkung als
die anderen Zusätze besitzt.
Tabelle IV
Eigenschaften von aus 1/2-LB-Schelzen hergestellten Blechen
Tabelle IV - Forts.
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Wie jedoch bereits früher gezeigt, besitzt Eisen (aber) auch
eine ausgesprochen schädliche Wirkung auf die Zähigkeit der
Schweißung
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Siliciumzusätze von 0,15% oder darunter scheinen die
Stabilität der Schweißung nicht zu beeinträchtigen. Beim Vergleich
der Schmelzchargen B5088 bis B5091 und B5382 und B5383 von
Tabelle IV ist festzustellen, daß Silicium eine mäßige
Verfestigungswirkung ohne irgendwelche stabilisierenden
Wirkungen auf die Schweißung besitzt.
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Wie bereits früher festgestellt, besteht eine wichtige
erwünschte Eigenschaft der erfindungsgemäßen Legierung in
einem hohen Grad an Immunität gegen Spannungsrißkorrosion
(SCC). Um die hervorragende SCC-Beständigkeit der
erfindungsgemäßen Legierungen zu belegen, wurde ein 25,4-mm (1-in)-
Blech aus einer 816,5-kg (1800-lb)-Schmelzcharge wie folgt
getestet:
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(a) Standard-ASTM-WOL-Prüflinge wurden an Luft unter
Einhaltung des maximalen Belastungsintensitäts(K)-Werts, der
halb so groß wie beim folgenden Test ist, an Luft
vorgerissen.
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(b) Nach dem Vorreißen wurden die Prüflinge in einem
statischen Rahmen bis zu dem gewünschten K-Wert belastet. Die
Umgebung bestand aus einer 3,5%igen Lösung von NaCl in
destilliertem Wasser. Die Prüflingsbelastung und die
Rißmundöffnung wurden überwacht.
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(c) War während einer Testdauer von mindestens 150 h kein
Rißwachstum feststellbar, wurde der Prüfling
herausgenommen. Der Riß wurde durch Ermüdungsreißen vergrößert,
worauf der Prüfling bei einem höheren K-Wert in den Test
zurückgeführt wurde. Diese Maßnahmen wurden wiederholt,
bis entweder der Riß aufgrund von SCC oder eines
mechanischen Defekts wuchs oder die Ergebnisse für eine Analyse
durch Bruchmechanikmethoden ungeeignet wurden.
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(d) Am Ende des Tests wurden die Prüflinge aufgebrochen. Die
Rißlängen und andere Abmessungen wurden endgültig
gemessen. Auf der Grundlage dieser Messungen wurden die
Berechnungen durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Tests
finden sich in Tabelle V.
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Die Ergebnisse von Tabelle V zeigen klar und deutlich, daß
die erfindungsgemäße Legierung gegen eine
Spannungsrißkorrosion immun ist, d.h. daß keine Rißausdehnung erfolgte,
obwohl das Material sogar mit mehr als 100% des linearen
elastischen Bruchzähigkeitswerts (KQ) belastet wurde. In
signifikanter Weise war die Legierung sogar nach einer
Vakuumkriechglättungsmaßnahme (langsames Abkühlen von 788ºC
(1450ºF)) gegen SCC beständig. Von dieser Maßnahme ist
bekannt, daß sie andere übliche Legierungen, z.B. Ti-6Al-4V,
SCC-anfällig macht.
Tabelle V
SCC-Testeregbnisse für ein aus der Schmelzcharge V-6447¹ gewalztes 25-mm (1-in)-Blech
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1 Schmelzechemismus = Tis-5, 2Al-1, 0Sn-1, 2Zr-1, 0V-0, 8Mo-0, 05Fe-0, 09Si-0, 080&sub2;
Durchschnitts-YS = 101 ksi, Durchschnitts-UTS = 118 ksi
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2 949ºC (1740ºF) (1 h) AC.
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3 Vakuumkriechglättung 788ºC (1450ºF), langsames Abkühlen
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4 949ºC (1740ºF) (1 h) AC.
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5 933ºC (1820ºF) (1 h) AC + 949ºC (1740ºF) (1 h) AC.
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6 Der Riß wurde zwischen der jeweiligen Einwirkung durch Ermüdung vergrößert.
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7 in wäßriger 3,5%iger NaCl-Lösung getestet.