Ultrahochzyklische Ermüdung nanobainitischer Stähle

• Antragsteller: Professor Dr. Eberhard Kerscher
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 493003593

Das Forschungsvorhaben beschäftigt sich mit dem Versagen von nanobainitischen Stählen bei ultrahochzyklischer Ermüdungsbeanspruchung (very high cycle fatigue, VHCF). Nanobainitische Stähle sind eine neue Stahlklasse, die das Potenzial für hohe Wechselfestigkeiten selbst bei sehr langen Lebensdauern aufweisen.Generell beobachtet man bei hochfesten Stählen bei sehr langen Ermüdungsbeanspruchungen, dass die Stähle auch noch bei Beanspruchungen versagen, die unterhalb der klassischen Wechselfestigkeit liegen, welche für einen Grenzlastspielzahl von 10 Millionen Lastspielen ermittelt wurde. Dabei geht dieses späte Versagen sehr oft mit einer veränderten Morphologie der Ermüdungsbruchfläche einher: Im Rissausgangsbereich, welcher bei den hochfesten Stählen sehr oft an nichtmetallischen Einschlüssen lokalisiert ist, treten rauere Oberflächen auf als bei kürzeren Lebensdauern. Diese rauere Oberfläche geht einher mit einer lokal verfeinerten Kornstruktur, der sogenannten feinkörnigen Zone (fine granular area, FGA), die nur noch Korngrößen unterhalb 100 nm aufweist und damit viel feiner als die ursprüngliche Mikrostruktur ist. Mit dieser Kornfeinung geht eine Reduktion des Schwellenwertes des Spannungsintensitätsfaktors für Rissausbreitung einher, welcher nach Hypothese des Antragstellers die Reduktion der Wechselfestigkeit verursacht.Nanobainitische Stähle mit ihrer hierarchischen Mikrostruktur weisen als kleinste Gefügeelemente abwechselnde ferritische und austenitische Lamellen auf, die eine Lamellendicke im wenige 10 nm Bereich besitzen und eine sehr hohe statische Festigkeit dieses Stahlzustandes verursachen. Bisher ist nicht untersucht, ob diese feine Mikrostruktur bei VHCF-Beanspruchung stabil ist und somit keine FGA-Bildung zulässt, was eine Unempfindlichkeit dieser hochfesten Stahlklasse gegenüber VHCF-Versagen bei reduzierten Beanspruchbarkeiten begründen könnte. Daher sollen im Vorhaben zwei chemisch unterschiedliche nanobainitische Stähle in jeweils zwei Wärmebehandlungszuständen mit unterschiedliche feinen Lamellendicken auf ihr VHCF-Verhalten hin untersucht werden. Der Fokus liegt dabei neben der Ermüdungsprüfung auf der Charakterisierung der Bruchflächen hinsichtlich einer möglichen FGA-Bildung. Abhängig vom Ergebnis dieser für eine erste Förderperiode geplanten Arbeiten kann in einer möglichen zweiten Förderperiode dann genauer untersucht werden, welche mikrostrukturellen Gefügebestandteile die erhöhte Stabilität gegen VHCF-Beanspruchung besonders begünstigen, wodurch belastbarere und damit nachhaltigere Stahlzustände für Bauteile erzeugt werden könnten. Neben den Erkenntnissen zur Stahlweiterentwicklung erhofft sich der Antragsteller auch neue Erkenntnisse zu den Bildungsbedingungen für FGA, welche nach wie vor kontrovers diskutiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen