P 1014 – Entwicklung eines Konzeptes zur Bewertung der Sprödbruchneigung von hochfesten Schrauben großer Abmessungen beim Einsatz bei tiefen Temperaturen

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Hochfeste Schraubengarnituren des Systems HV werden vermehrt auch in großen Abmessungen bis zu M72 in hoch beanspruchten Stahltragwerken als vorgespannte Garnituren eingesetzt. Neben statischen und zyklischen Beanspruchungen sind die Verbindungen auch tiefen Temperaturen ausgesetzt. Bekannt ist, dass mit zunehmender Dicke von Stahlbauteilen bei Tieftemperatureinsatz die Gefahr von Sprödbruch steigt – dies gilt im Prinzip auch für größere Schraubendurchmesser.

In diesem Forschungsprojekt wurden systematische Untersuchungen zur Sprödbruchneigung hochfester Schrauben großer Abmessungen im Durchmesserbereich von M24 bis M64 unter tiefen Temperaturen durchgeführt. Zunächst wurden die mechanischen Eigenschaften charakterisiert und das Bruchzähigkeitsverhalten in Form von Kerbschlagbiegeversuchen und Bruchmechmechanikversuchen beschrieben. Die Übergangstemperaturen aus Kerbschlagbiegeversuch und Bruchmechanikversuch ließen sich durch bereits vorhandene Korrelationsansätze miteinander korrelieren. Durch die Auswertung von Finite Elemente Berechnungen konnte der Spannungszustand im ersten tragenden Gewindegang als maßgebend in Bezug auf Sprödbruch identifiziert werden. In Bauteilversuchen bei tiefen Temperaturen, bei denen die Schrauben ausgehend von einer mechanisch eingebrachten Kerbe unter einer Ermüdungsbeanspruchung vorgeschädigt wurden, konnte eindeutig nachgewiesen werden, dass die derzeit verwendeten Schraubenstähle beim Einsatz bis -50 °C nicht sprödbruchgefährdet sind.

Auf Grundlage der Versuchsergebnisse wurden bruch- und schädigungsmechanische Berechnungsmodelle erstellt, um aus den Ergebnissen Mindestanforderungen an die Materialeigenschaften zur Vermeidung von Sprödbruch zu definieren. Das schädigungsmechanische Modell zeigte hier sehr konservative Ergebnisse, so dass eine Ableitung von Mindestanforderungen derzeit ohne eine Weiterentwicklung nicht möglich ist. Das bruchmechanische Modell konnte die Versuchsergebnisse reproduzieren, lieferte jedoch auch konservative Ergebnisse bei der Ableitung von Mindestanforderungen. Das bruchmechanische Modell muss auf Grundlage einer breiteren Datenbasis weiter verifiziert werden.

Im vorliegenden Forschungsvorhaben konnte jedoch eine prinzipielle Bewertung der Sprödbruchneigung von hochfesten Schrauben großer Abmessungen bei tiefen Temperaturen vorgenommen werden. Es zeigt sich, dass die derzeitig verwendeten Schraubenstähle beim Einsatz bei tiefen Temperaturen nicht sprödbruchgefährdet sind.

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P 1014 – Entwicklung eines Konzeptes zur Bewertung der Sprödbruchneigung von hochfesten Schrauben großer Abmessungen beim Einsatz bei tiefen Temperaturen