Einfluss von Mittelspannung, Mikrostruktur und Temperatur auf die FGA-Bildung bei VHCF-Beanspruchungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Tilmann Beck; Dr.-Ing. Bastian Blinn
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 523648868

Für die Bildung von Fine Granular Areas (FGA) bei Very High Cycle Fatigue (VHCF) von Vergütungsstählen existieren verschiedene, teils konträre Modellvorstellungen. Welcher Bildungsmechanismus abhängig vom Werkstoff- und Beanspruchungszustand, insbesondere Mittelspannungen, dominiert und welchen Einfluss die FGA-Bildung auf die Lebensdauer hat, ist unklar und wird kontrovers diskutiert. Ebenso ist der Zusammenhang zwischen FGA und den bei hochzyklischer Kontaktbelastung beobachteten White Etching Areas / Cracks (WEA/WEC) unbekannt. Dieser Fragestellung widmet sich die Forschungsgruppe. Im Fokus dieses Teilprojekts stehen die Wirksamkeit bzw. Bedingungen für die verschiedenen FGA-Bildungsmechanismen. Hierbei wird betrachtet, ob zyklische Plastizität und/oder Karbidablösungen zur Kornfeinung an der Rissspitze und anschließend zur Rissausbreitung führen, oder ob die Kornfeinung auf zyklischen Kontakten der Rissflanken als Folge der Rissausbreitung beruht. Zudem fehlen bislang belastbare Arbeiten zum Einfluss erhöhter Temperaturen, welche die C-Diffusion begünstigen. Als Forschungshypothese wird angenommen: "Die Bildung von FGA bei VHCF-Belastung angelassener martensitischer Stähle hängt in komplexer Weise ab von (i) der Mittelspannung respektive dem Lastverhältnis R, (ii) der Festigkeit bzw. der plastischen Verformbarkeit und somit der Anlasstemperatur, (iii) dem C-Gehalt und (iv) der Beanspruchungstemperatur. Gleichzeitig korreliert die Bildung von Rissen und möglicherweise von FGA mit dem Verfestigungsverhalten bzw. dem Verfestigungsvermögen des umliegenden Werkstoffvolumens". Zur Lösung der hieraus implizierten Forschungsfragen werden niedriglegierte Vergütungsstähle mit C-Gehalten von 0,25 bis 1,0 Ma.-% in Wärmebehandlungszuständen, die 32 HRC bis 62 HRC aufweisen, untersucht. Durch die verschiedenen Karbidstrukturen und unterschiedlichen Festigkeiten bzw. plastischen Verformbarkeiten kann der Zusammenhang zwischen FGA-Bildung und zyklischer Plastizität oder lokaler Karbidablösungen erarbeitet werden. Ferner wird mittels zyklischer Mikroindentation bewertet, ob das zyklische Verfestigungsverhalten des Materials die FGA-Bildung beeinflusst und wie sich dieses in Anrissnähe verändert. In den geplanten VHCF-Versuchen werden Lastverhältnisse von R = -2 bis R = 0,5 aufgebracht, wodurch eine detaillierte Bewertung zyklischer Rissflankenkontakte ermöglicht wird. Dies wird durch die Betrachtung verschiedener Werkstoffeigenschaften ergänzt, da diese zu unterschiedlich ausgeprägtem Rissschließen führen können. Der kombinierte Mittelspannungs- und Temperatureinfluss wird für einen C-Gehalt von 0,5 Ma.-% und eine mittlere Härte im gesamtem R-Bereich analysiert. Umfassende Bruchflächen- und Mikrostrukturanalysen, flankiert durch Simulationen des Rissschließens, erlauben, in Zusammenwirken mit den anderen Teilprojekten, eine gegenüber dem bisherigen Stand vertiefte Durchdringung der FGA-Bildungsmechanismen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5701: Identifikation der Entstehungsmechanismen weiß anätzender Rissflanken und feinkörniger dunkler Zonen bei Ermüdungsbeanspruchung – Parallelen und Unterschiede (White and Dark)