Untersuchung des zyklischen Verhaltens von Kohlenstoffstählen bei unterschiedlichen Regelungsarten und Dehnraten

• Antragsteller: Dr.-Ing. Marcus Klein
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 528786920

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erweiterung des Stands der Forschung zum zyklischen Verhalten von untereutektoiden Kohlenstoffstählen bei unterschiedlichen Regelungsarten und Dehnraten. Dabei werden zwei gleichberechtigte Teilziele verfolgt: Einerseits werden quantitative Modelle zur Beschreibung der Einflüsse von Dehnrate und Regelungsart verbessert, sodass von Ergebnissen an Ultraschall-Ermüdungsprüfmaschinen auf das kraftgeregelte Werkstoffverhalten bei niedrigen oder moderaten Frequenzen (kleiner 1 kHz) geschlossen werden kann. Andererseits wird das mechanismenbasierte Verständnis des VHCF-Verhaltens verbessert. Dazu werden die Unterschiede zwischen den Mechanismen im konventionellen Versuch und den Mechanismen im Ultraschallversuch skalenübergreifend charakterisiert. Im Rahmen dieses Projekts werden an jeweils zwei Wärmebehandlungschargen 42CrMo4 und 50CrMo4 weg- und spannungsgeregelte Versuche an konventionellen Prüfmaschinen sowie weggeregelte Versuche an Ultraschall-Ermüdungsprüfmaschinen durchgeführt. Auf Basis des entstehenden Datensatzes wird die in vorangehenden Arbeiten entwickelte werkstoffkundliche Methode zur Umrechnung der Ergebnisse von kraft- und weggeregelten Versuchen bewertet. Bei Erfolg erlaubt die Validierung des Algorithmus den Schluss von den Ergebnissen von Ultraschall-Ermüdungsprüfmaschinen auf das spannungsgeregelte Werkstoffverhalten bei hohen Frequenzen. Weiter wird der Einfluss der Dehnrate auf das Ermüdungsverhalten direkt aus den Ergebnissen der weggeregelten Versuche an konventionellen Prüfmaschinen sowie Ultraschall-Ermüdungsprüfmaschinen gefolgert. Das bringt gegenüber dem aktuellen Stand der Forschung den Vorteil, dass die Störgröße „Regelungsart“ eliminiert und damit die Unsicherheit der Aussage deutlich reduziert wird. Parallel zu den Schwingversuchen werden umfangreiche werkstoffanalytische Untersuchungen wie (FIB-) REM-, XPS-, Nanoindenter- und EBSD-Untersuchungen durchgeführt. Diese Untersuchungen werden so abgestimmt, dass sie zur Aufklärung der Unterschiede der Mechanismen im ultraschallbasierten und im konventionellen Schwingversuch beitragen. Das verbesserte Verständnis der Unterschiede der Mechanismen bringt ein verbessertes Verständnis der Mechanismen allgemein mit sich. Dabei liegen Schwerpunkte auf den folgenden Fragestellungen: (Warum) unterscheidet sich die Entwicklung der Mikrostruktur im ultraschallbasierten Versuch von der Entwicklung der Mikrostruktur im konventionellen Versuch? (Warum) unterscheiden sich bei verschiedenen Frequenzen durchgeführte Versuche in Bezug auf den Eintrag von Sauer- und Stickstoff und in Bezug auf die Diffusion von Kohlenstoff? Wie beeinflusst die (aufgrund des Sinussignals variable) Dehnrate das zyklische Materialverhalten? Auf welche Mechanismen sind gegebenenfalls beobachtete Unterschiede in der Lebensdauer und in der Entwicklung der Mikrostruktur zurückzuführen?

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen