Untersuchungen zum Risswachstum im Schwellenwertbereich von K bei sehr hohen Lastspielzahlen (VHCF-Bereich) an der Nickelbasis-Superlegierung CMSX-4 und an reinem Nickel unter Berücksichtigung der Korngröße und -struktur
Final Report Abstract
Im Rahmen des Forschungsaufenthalts am Department of Materials Science and Engineering der University of Michigan wurde das Risswachstum in Abhängigkeit der Korngröße an reinem, polykristallinem Nickel und der Bi-Kristalllegierung René N4 bei sehr niedrigen Beanspruchungsamplituden und Risswachstumsraten untersucht. Dazu wurde reines Nickel im Anlieferungszustand und in einer durch eine Wärmebehandlung eingestellten Grobkornvariante getestet. Die Versuche erfolgten an einem Ultraschallermüdungsprüfsystem, welches Wachstumsraten da/dN ≤ 10-11 m/Lastspiel ermöglichte. Das Risswachstum an der Probenoberfläche wurde mittels CCD- Kamera und Fernfeldmikroskop aufgezeichnet. In situ quasi 3-D Risswachstumsmessungen wurden mittels Synchrotronstrahl an der Advanced Photon Source (APS) in Argonne durchgeführt. Es zeigte sich eine deutliche Abhängigkeit der Risswachstumsrate von der Korngröße. Die durch die einschlägige Literatur bekannte Barrierefunktion der Korngrenzen konnte auch für die sehr niedrigen Beanspruchungsamplituden bestätigt werden. Es kam vereinzelt zum kompletten Stehenbleiben des Risses in dem polykristallinen Material, so dass erst eine Laststeigerung zu einem erneuten Risswachstum führte. Bei der Bi-Kristalllegierung war lediglich ein Verlangsamen des Risswachstums zu beobachten. Teilweise folgte der Risspfad einige Zeit der Korngrenze bevor eine Fortsetzung des Rissverlaufs im angrenzenden Korn zu beobachten war. Durch die Verwendung von Mikroproben mit einer Dicke von ca. 200 μm erstreckten sich einzelne Körner in der Grobkornvariante teilweise über der gesamten Probendicke. Dies ermöglichte die experimentelle Umsetzung von Risswachstumsmessung in einem einzelnen Korn für die Grobkornvariante mit Korngrößen zwischen ca. 300 und 700 μm. Vergleiche zwischen den Versuchen anhand von Mikroproben (bei R = 0,1) und Bulkproben (bei R = -1) zeigen keinen Einfluss hinsichtlich des Schwellenwerts zur Rissausbreitung. Wohl erkennbar war hingegen ein Einfluss bei der anfänglichen Risswachstumsgeschwindigkeit. Außerdem zeigten die Ergebnisse für die Bulk- und die Mikroproben des grobkorngeglühten Materials einen deutlichen Wechsel im Rissmodus. Auf den im Rahmen des Projekts nicht behandelte Einfluss von Rissschließeffekten auf das Ermüdungsrisswachstumsverhalten wurde ebenso hingewiesen wie auf die Notwendigkeit der quasi 3-D-Beobachtung aufgrund des sehr verzweigten und kristallographischen Charakters des Risspfads in diesem frühen Rissstadium. Eine eindeutige Zuordnung zum Riss I-Stadium bzw. Riss II-Stadium war bei den beobachteten Rissverläufen nicht möglich. Ein Einfluss der Mikrostruktur war für alle untersuchten Materialvarianten zu beobachten und erwartungsgemäß bei der grobkorngeglühten Variante am stärksten ausgeprägt.
