Teilprojekt B04: Mechanische Eigenschaften von mikrogefrästem cp-Titan und 16MnCr5

Durch eine Oberflächenbearbeitung an Bauteilen und der damit verbundenen thermischen und mechanischen Beanspruchung wird die Morphologie der oberflächennahen Mikrostruktur beeinflusst. Aufgrund korrespondierender Verfestigungsmechanismen und der aus den Bearbeitungsprozessen resultierenden Kerbwirkung können auch die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes entscheidend verändert werden. Ziel des Projektes ist die Untersuchung des Rissinitiierungsverhaltens, abhängig von dem jeweiligen Bearbeitungsprozess, Kerbgeometrie, Oberflächenmorphologie (Oberflächenbeschaffenheit, Korngrößen- und Kornorientierungsverteilung) und der mechanischen Beanspruchung. Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung einer zuverlässigen, zerstörungsfreien Methode zur Vorhersage des Rissinitiierungsortes.Im Rahmen des Projektes werden zwei Werkstoffe untersucht: cp(commercially pure)-Titan und 16MnCr5 in einsatzgehärtetem Zustand. Die Mikrostrukturierung der Probenoberflächen erfolgt durch Mikrofräsen, Mikroschleifen, Partikeleinbringung und additive Fertigung. In einer umfassenden metallografischen Charakterisierung werden sämtliche Einflussfaktoren betreffend Oberflächenmorphologie und Mikrostruktur einer Probe analysiert. Anschließend erfolgt die Prüfung der mechanischen Eigenschaften unter quasistatischer und zyklischer Beanspruchung. Dabei werden optische Dehnungsmessung und akustische Emissionsspektroskopie eingesetzt, um das Modell zur Vorhersage des Rissinitiierungsortes zu validieren.Bereits in der ersten Förderperiode wurden metallografische Untersuchungen und Nanoindentationsmessungen durchgeführt, um die oberflächennahe Mikrostruktur in Abhängigkeit von der Distanz zur Oberfläche zu charakterisieren (Abb.1). Es konnte für mikrogefrästes cp-Titan gezeigt werden, dass die Wechselfestigkeit stark vom Größenverhältnis zwischen Kerbgröße und Korngröße abhängt. Bei Kerbgrößen kleiner der Korngröße änderte sich die Ermüdungsfestigkeit nicht. Bei Kerbgrößen, die die Korngröße übersteigen nimmt die Wechselfestigkeit ab und die Rissinitiierung findet im Kerbgrund statt (Abb.2). Neben der Kerbwirkung spielen für die Rissinitiierung auch andere Einflussfaktoren, wie Korngröße, Kornorientierung und Oberflächenbeschaffenheit der Probe, eine Rolle (Abb.3).

Literatur:

[1] C. Godard, A. Klingler, T. Junker, E. Kerscher: The Applicability of Nanoindentation for the Examination of Microstructured Areas in CP Titanium Samples, Pract. Metallogr. 52 (2015) 6, pp. 314-322

[2] C. Godard, E. Kerscher: Characterization of the Fracture Morphology of Commercially Pure (cp)-Titanium Micro Specimens Tested by Tension-Compression Fatigue Tests, Proc. Mat. Sc. 3 (2014), pp. 440-446

Ansprechpartnerin: M. Sc. Luisa Böhme