Aktive Rissbehinderung in ferritischen Hochtemperaturstählen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Tilmann Beck; Dr.-Ing. Bernd Kuhn
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450763904

HiperFer (High performance Ferrite) Stähle weisen im Temperaturbereich bis 650 °C im Vergleich zu ferritisch-martensitischen Stählen mit 9-12 Ma-% Cr höhere Kriech- und TMF- (thermomechanical fatigue) Ermüdungsbeständigkeiten sowie reduzierte Risswachstumsraten auf. Die Verfestigung dieser rostfreien, ferritischen Hochchromstähle wird durch eine Kombination aus Mischkristall- und Ausscheidungshärtung durch intermetallische (Fe,Cr,Si)2(Nb,W) Laves Phasen-Partikel erreicht. Die mikrostrukturellen Mechanismen, auf denen die hohe Ermüdungsfestigkeit und die geringeren Risswachstumsraten beruhen, sind nur ansatzweise verstanden und sollen im Rahmen des beantragten Projektes analysiert werden. Bisher konnte an Crofer 22H, dem Vorgänger von HiperFer, gezeigt werden, dass die gesteigerte Ermüdungslebensdauer Folge starker zyklischer Verfestigung ist, die zumindest teilweise auf unterschiedlichen Morphologien der verfestigenden Laves Phase beruht. Ferner gibt es Hinweise, dass es unter ausreichend hoher Spannung bzw. plastischer Verformung im Temperaturbereich 600 °C bis 650 °C zu thermomechanisch induzierter Partikelgeneration kommt, die das Risswachstum zusätzlich aktiv behindert, was im vorliegenden Projekt nachgewiesen werden soll.Ferner konnte in Crofer 22H die Bildung von Subkorngrenzen vor der Rissspitze beobachtet werden, was zur Steigerung des zyklischen Verfestigungspotentials führt, welche das Ermüdungsrisswachstum massiv behindert. Darüber hinaus können die im Rissspitzenbereich neu gebildeten Subkorngrenzen als potentielle Keimbildungsstellen fungieren und die Ausscheidung weiterer Laves Phasen-Partikel begünstigen. Ein Hinweis dafür ist die bei 650 °C an der Rissspitze beobachtete höhere Partikeldichte unter thermomechanischer Belastung einhergehend mit Subkornbildung.Der Projektfokus liegt auf der Klärung der beschriebenen Phänomene auf mikrostruktureller Ebene mittels SEM, EDX, EBSD und TEM. Dazu werden zunächst isotherme LCF- (low cycle fatigue) und HCF- (high cycle fatigue) Ermüdungsversuche sowie Rissausbreitungsversuche an Luft durchgeführt. Hierbei werden Temperaturen zwischen 600 °C und 650°C betrachtet, da hier die Entstehung der potenziell versprödenden (Fe,Cr)--Phase auszuschließen ist. Da HiperFer eine signifikante Abhängigkeit des Rissausbreitungsverhaltens von der Versuchsfrequenz bei höheren Temperaturen zeigte und von einer Wechselwirkung der Dehnrate mit der Versuchstemperatur auszugehen ist, werden Frequenzen zwischen 0,005 Hz und 20 Hz betrachtet. Zusätzlich wird das Verfestigungsverhalten in instrumentierten zyklischen Eindringversuchen (PhyBaLCHT) ermittelt. Diese Methodik ermöglicht u. a. eine lokale Analyse der Werkstoffeigenschaftsevolution im Bereich der plastischen Zone des Ermüdungsrisses, was in Verbindung mit den Mikrostrukturanalysen ein tiefgreifendes Verständnis der dort ablaufenden mikrostrukturellen Prozesse erlaubt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Bastian Blinn