Steigerung der Ermüdungsfestigkeit bei HCF- und VHCF-Beanspruchung durch thermomechanische Behandlung im Temperaturbereich der maximalen dynamischen Reckalterung

Früher wurden Ermüdungsversuche oft nur bis 10⁶ oder 10⁷ Lastspielen durchgeführt, weil man dachte, bei längerer Lebensdauer wäre kein Abfall der Beanspruchbarkeit mehr zu erwarten. Inzwischen ist bekannt, dass viele, insbesondere hochfeste Werkstoffe auch nach deutlich mehr als 10⁷ Lastspielen versagen können. Dabei gibt es bereits eine Vielzahl an Vorstellungen, warum es zu einem solchen Versagen nach ultrahochzyklischer Ermüdung (VHCF) kommen kann. Unserer Meinung nach kristallisiert sich heraus, dass die lokale Spannungsüberhöhung am Einschluss und die daraus resultierende stark lokalisierte Plastizität die Ursache für eine lokale Kornfeinung (der entstehende Bereich wird oft als Fine Grained Area, FGA, bezeichnet) und die darauffolgende Rissinitiierung im VHCF-Bereich sein könnte. Maßnahmen zur Verbesserung des VHCF-Verhaltens oder zur Vermeidung dieses möglichen Schadensmechanismus wurden in der Literatur noch nicht diskutiert. Dies ist Ziel dieses Projektes: Mit dynamischer Reckalterung soll eine stabilisierte Versetzungsstruktur mit erhöhter Versetzungsdichte erreicht werden, welche dann zu einer erhöhten Wechselfestigkeit führen würde. Im Rahmen eigener Forschungen wurde bereits eine auf der dynamischen Reckalterung basierende thermomechanische Behandlung (TMB) zur Verbesserung der HCF-Wechselfestigkeit des Stahls 100Cr6 untersucht. Es zeigte sich, dass so in dem bereits hochfesten Stahl nochmals eine Steigerung der HCF-Wechselfestigkeit möglich ist. Bisher wurde dieser Sachverhalt jedoch nur bei 100Cr6 im HCF Bereich untersucht. Die Auswirkungen auf andere Stähle und auf das VHCF-Versagen sind bisher nicht bekannt. Ziel des Vorhabens ist folglich die Steigerung der Beanspruchbarkeit von hochfesten Stählen bei VHCF-Beanspruchung und das Verständnis der dabei ablaufenden werkstoffkundlichen Mechanismen. Dabei soll die genannte TMB auf ihre Wirksamkeit zur Steigerung der VHCF-Beanspruchbarkeit getestet und die dadurch modifizierte und stabilisierte Versetzungsstruktur nachgewiesen werden. Dazu werden zuerst die exakten Randbedingungen für die thermomechanischen Behandlungen an den beiden Stählen 42CrMo4 und 100Cr6 ermittelt. Dann erfolgt die Überprüfung des Steigerungspotenzials durch die TMB bei HCF- und VHCF-Beanspruchung. Durch eine detaillierte fraktographische Untersuchung der gebrochenen Proben wird anschließend überprüft, ob durch die TMB eine Veränderung des Versagensmechanismus erreicht wurde. Dazu wird insbesondere der Rissinitiierungsbereich um die nichtmetallischen Einschlüsse rasterelektronenmikroskopisch analysiert, um gegebenenfalls die für VHCF-Versagen sonst typischen Bruchflächenstrukturen mit FGA zu identifizieren. Sollten nach der TMB keine FGAs auf den Bruchflächen der ermüdeten Proben zu finden sein, wäre dies ein klarer Hinweis auf die mikrostrukturelle Ursache (stabilisierte Versetzungsstruktur) für die Ermüdungsfestigkeitssteigerung.

Projektpartner:

Institut für Angewandte Materialien - Werkstoffkunde (IAM-WK), Karlsruher Institut für Technologie

Ansprechpartner: M. Sc. Jan Sippel