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Stabilität der Mikrostruktur feinstkörniger unlegierter Stähle bei zyklischer Beanspruchung

Antragstellerinnen / Antragsteller Dr. Julia Ivanisenko; Professor Dr. Eberhard Kerscher
Fachliche Zuordnung Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
Förderung Förderung von 2011 bis 2016
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 183890091
 
Erstellungsjahr 2016

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel dieses Vorhabens war es, im ferritisch‐perlitischen untereutektoiden Stahl C45 durch massive plastische Umformung feinstkörnige Strukturen einzustellen. Die so hergestellten Zustände wurden dann hinsichtlich ihrer Mikrostruktur, ihrem Wechselverformungsverhaltens und ihrer Wechselfestigkeiten analysiert, um die Stabilität der erzeugten Strukturen unter zyklischer Beanspruchung zu bewerten. Zur Erzeugung der ultrafeinkörnigen Stahlzustände kam das Verfahren der Hochdruck Torsionsbeanspruchung (HPT) zum Einsatz. Für die HPT‐Prozedur wurden ein normalisierter Anlieferungszustand benutzt und drei weitere Zustände durch Wärmebehandlungen aus dem normalisierten Zustand hergestellt. Als Wärmebehandlung kamen ein Weichglühbehandlung und Vergüten zum Einsatz. Darüber hinaus wurde der normalisierte Zustand patentiert, um einen möglichst feinstreifigen Perlit mit geringem Anteil an Ferrit einzustellen. Die detailliertere mikrostrukturelle Untersuchung der verschiedenen Zustände mittels automatischer Kristallorientierungsanalyse im TEM (ACOM‐TEM) zeigte die Morphologieänderung mit einer Reduktion der Korngröße des Ferrits bis zu 150 nm im Durchmesser und einer feineren Verteilung der Karbide. Dabei sind die Korngrößen der finalen Zustände für vergüteten und patentierten Proben weitgehend vergleichbar, während die normalisierten Proben etwas größere Ferritkörner als die anderen beiden Proben aufwiesen und der weichgeglühte Zustand die grobsten Strukturen zeigte. Aufgrund der sehr geringen Abmessungen der Plättchen nach HPT wurden spezielle Probeneinspannungen für die Prüfmaschine selbst konstruiert, um die sehr kleine Proben mit einer Länge von 4 mm einer zyklischen 4‐Punkt‐Biegebeanspruchung unterziehen zu können. Die Ergebnisse zeigten das hohe Potenzial der HPT‐ Behandlung zur Schwingfestigkeitssteigerung von Stählen. Die ermittelte Dauerfestigkeit beträgt für den weichgeglühten Ausgangszustand vor HPT: RD=316 MPa, nach 6 vollen HPT‐Umdrehungen: RD=494 MPa, und nach 10 vollen HPT‐Umdrehungen: RD=837 MPa. Die anderen Zustände zeigten zwar höhere Werte der Dauerfestigkeit, aber auch höhe Streuung der Lebensdauer. Der patentierte Zustand erreichte nach 10 HPT Umdrehungen eine Schwingfestigkeit, die praktisch identisch mit der des hochfesten Zustands des Wälzlagerstahls 100Cr6 war. Um die Rissinitiierungsmechanismen zu ermitteln, wurden alle Bruchflächen nach der Ermüdungsprüfung rasterelektronenmikroskopisch untersucht. Bei allen Proben wurde Rissinitiierung sehr häufig an der Oberfläche ohne sonstige Auffälligkeiten wie nichtmetallische Einschlüsse beobachtet, was vermuten lässt, dass die dortige Mikrostruktur selbst größere Inhomogenitäten aufweist, die schädlicher als die zwischen 5‐15 µm großen nichtmetallischen Einschlüsse wirken. Die typische für grobkörnige hochfeste Materialien wie 100Cr6 glatte Ermüdungsbruchflächen um den rissinitiierenden Einschluss (Fisheye) wurde auch im ultra‐ feinkörrnigen C45 Stahl beobachtet, allerdings treten dort keine Feinkörnigen Zonen (Fine Granular Area, FGA) mehr auf, die im 100Cr6 oft das Versagensverhalten bei längeren Lebensdauern bestimmen.. Nach dem aktuellen Stand der Technik gibt es generell keine vergleichbaren UFG‐Stahlzustände, welche in zyklischen Vergleichsexperimenten ähnliche Ermüdungsfestigkeiten wie jene des 100Cr6 im bainitischen oder martensitischen Zustand aufweisen. Innerhalb unserer Untersuchungen konnten aber genau solche Dauerfestigkeiten für den patentierte Zustand nach 10 HPT Umdrehungen mit initialer fast rein perlitischer Mikrostruktur vor HPT nachgewiesen werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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