Mikrostrukturelle Bewertung der Defekttoleranz Cu-legierter Stähle bei zyklischer Beanspruchung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Tilmann Beck; Professor Dr.-Ing. Ulrich Krupp
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 335746905

Im Vorgängerprojekt wurde in den mit 2 Ma.-% Cu-legierten Stählen X0,5CuNi2-2 (0,005 Ma.-% C – „X0,5“) und X21CuNi2-2 (0,21 Ma-% C – „X21“) durch wärmebehandlungsinduzierte Cu-Ausscheidungsbildung eine Steigerung von Härte, Zug- und Ermüdungsfestigkeit sowie Defekttoleranz erzielt. Die mechanischen Eigenschaften hängen vom Ausscheidungszustand ab, der Größe, Anzahl, Abstand, Gitterstruktur und chemische Zusammensetzung der Ausscheidungen umfasst. Während für den ferritischen Stahl X0,5 der Einfluss des Ausscheidungszustands auf die Defekttoleranz eindeutig ermittelt werden konnte, zeigen sich beim ferritisch-perlitischen Stahl X21 komplexere Zusammenhänge, die durch unterschiedliche Bewertungsansätze (z. B. √area-Konzept, Kitagawa-Takahashi-Diagramm) adressiert wurden. Zentrales Ziel des beantragten Forschungsprojektes ist ein wesentlich vertieftes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Ausscheidungszustand und Ermüdungseigenschaften, das aufbauend auf den am Stahl X0,5 bereits gewonnenen Erkenntnissen erarbeitet werden soll. Hierzu fehlt aktuell ein umfassendes Verständnis zum Einfluss der Kohärenzbeziehungen zwischen Cu-Ausscheidungen und Matrix sowie der chemischen Zusammensetzung nahe der Grenzfläche. Das Vorgängerprojekt zeigte, dass diese Kenntnisse zur Durchdringung der komplexen Wechselwirkungen zwischen Ausscheidungszustand und Ermüdungsverhalten unabdingbar sind. Aktuelle Arbeiten zeigen, dass die Stabilität der Cu-Ausscheidungen von der plastischen Verformung abhängt. Daher wird die Abhängigkeit der durch die Cu-Ausscheidungen bestimmten Defekttoleranz vom Beanspruchungsniveau mittels LCF-, HCF- und VHCF-Versuchen analysiert. Aufbauend auf die im HCF-Bereich erzielten Ergebnisse liegt nun der Fokus auf mit hohen plastischen Dehnungen verbundenen LCF- und mit zyklischer Mikroplastizität einhergehenden VHCF-Beanspruchungen, wobei insbesondere die Defekttoleranz und die zugrunde liegenden mikrostrukturellen Mechanismen betrachtet werden. Mittels in-situ Rissinitiierungs- und -ausbreitungsversuchen werden die damit verbundenen Schädigungsmechanismen ermittelt. Zur Ausarbeitung eines umfassenden Verständnisses dieser Zusammenhänge werden die Ermüdungsversuche mit hochauflösenden Mikrostrukturuntersuchungen (TEM, 3D-Atomsonde) kombiniert, was u. a. die Analyse der Interaktion von Ausscheidungen und Versetzungen erlaubt. Zusätzlich zu den Betrachtungen am Stahl X0,5 sollen die in den Vorarbeiten beobachteten lokalen Einflüsse auf die Ermüdungsschädigung im ferritisch-perlitischen Stahl mit 0,21 Ma-% C geklärt werden. Hierzu werden unterbrochene Ermüdungsversuche durchgeführt, um den Rissinitiierungsort zu bestimmen und die Schädigungsmechanismen aufzuklären. Ferner soll mittels instrumentierter zyklischer Nanoindentation gezielt das lokale Verfestigungspotential in den Ferrit- und Perlitkörnern ermittelt werden, was in Kombination mit Atomsondenmessungen eine Bewertung der individuellen Ausscheidungszustände ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Bastian Blinn; Professorin Dr.-Ing. Wenwen Song