Einfluss von Mikrostruktur- und Verformungsparametern auf die Ermüdungseigenschaften von hochgradig verformtem Eisen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Durch Severe Plastic Deformation (SPD) Prozesse erzeugte ultrafeinkörnige (UFG) Materialien besitzen ein interessantes Eigenschaftsprofil, das sich u.a. durch eine hohe Festigkeit sowohl unter quasi-statischen als auch unter zyklischen Lasten auszeichnet. Aufgrund einer Vielzahl an Freiheitsgraden bezüglich der Wahl des SPD Prozesses und relevanter Prozessparameter (wie z.B. der eingebrachten plastischen Dehnung) existiert ein breites Spektrum an UFG Mikrostrukturen, die sich u.a. in der Korngröße, der Kornstreckung oder dem Anteil an Großwinkelkorngrenzen maßgeblich unterscheiden. Die grundlegenden Zusammenhänge zwischen SPD Prozessparametern, resultierenden Mikrostrukturen und zugehörigen mechanischen Eigenschaften sind in Bezug auf quasi-statische Eigenschaften bereits vielfach untersucht worden. Die Wechselwirkungen zwischen Prozessführung und zyklischen Eigenschaften, wie z.B. den zur Ermüdungsrissbildung führenden Mechanismen, sind jedoch weitaus weniger erforscht, insbesondere im High Cycle Fatigue (HCF) Bereich. Ziel des Vorhabens war es, einen Beitrag zum Verständnis der Zusammenhänge zwischen Prozessparametern bei SPD, resultierenden mikrostrukturellen Parameter und deren Auswirkung auf das Materialverhalten unter zyklischer Beanspruchung zu leisten. Hierbei wurde Equal-Channel Angular Pressing (ECAP) als SPD Prozess und ARMCO® Eisen als krz Modellwerkstoff verwendet. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag auf der Identifizierung der Ermüdungseigenschaften und Schädigungsmechanismen im HCF Bereich und deren Korrelation mit der Verformungsstruktur sowie einer möglichen prozessbedingten Vorschädigung. Hierbei wurden neben UFG Zuständen auch deren Vorstufen untersucht, die geringeren plastischen Dehnungen unterzogen wurden und Mikrostrukturen aufweisen, die von Kleinwinkelkorngrenzen dominierte werden. Im Rahmen der Untersuchungen wurde gezeigt, dass die zur Ermüdungsrissbildung führende Schädigung bei zyklischer Belastung im HCF Bereich über eine Lokalisierung der plastischen Dehnung erfolgt, die mit einer lokalen Vergröberung der UFG Mikrostruktur einhergeht. Die Vergröberung und lokale Entfestigung findet bevorzugt parallel zur Scherebene des letzten ECAP Durchlaufs statt, vorausgesetzt das hohe zyklischen Schubspannungen entlang der ECAP Scherrichtung in dieser Ebene vorliegen. Dies führt im Falle von ECAP Route BC zu einer Anisotropie in den HCF Eigenschaften mit ertragbaren Spannungsamplituden die entlang der Extrusionsrichtung ca. 10% niedriger sind als bei einer um 25° gedrehten Belastungsrichtung. Bei Gefügen mit ausgeprägter Kornstreckung in zwei Achsen, wie sie durch ECAP Route A entstehen, ist neben dem Effekt der Scherebene des letzten ECAP Prozesses auch ein Einfluss der Kornform erkennbar. So findet eine zyklische Vergröberung bevorzugt entlang der „pancake“ Struktur statt, d.h. in der durch beide Streckungsachsen der Körner aufgespannten Ebene. Der Widerstand gegen eine Dehnungslokalisierung ist zudem stark von der Orientierung der Probenoberfläche in Relation zur Mikrostruktur abhängig. Liegt die ECAP Scherrichtung in der Oberfläche, so ist der Widerstand gegen Rissbildung höher als in Oberflächenorientierungen bei denen die ECAP Scherrichtung aus der Oberfläche zeigt. Mikrostrukturell lässt sich der Effekt der schädigungsresistenten Oberflächenorientierungen auf einen geringen Abstand von Großwinkelkorngrenzen in der Oberfläche senkrecht zur Belastungsrichtung zurückführen. Diese behindern das Anwachsen von Gleitbändern auf der Oberfläche, was das Erreichen einer kritischen Länge zur Bildung eines wachstumsfähigen Ermüdungsrisses erschwert. Da bei axial belasteten Proben über den Umfang verschiedene Oberflächenorientierung vorliegen und die Lebensdauer durch die schwächste Orientierung limitiert ist, führt der Einfluss der Oberflächenorientierung auf die Schädigung nicht zwangsläufig zu einer Anisotropie der HCF Eigenschaften. Eine Betrachtung der Relation von quasi-statischen und zyklischen mechanischen Eigenschaften von UFG Materialien und deren Vorstufen zeigt, dass über alle getesteten Zustände hinweg eine annähernd lineare Korrelation zwischen Zugfestigkeit und Dauerfestigkeit (107 Lastwechsel) besteht. Anders als im Low Cycle Fatigue Bereich, für den in der Literatur eine Korrelation zwischen dem Großwinkelkorngrenzanteil und der zyklischen Stabilität der Mikrostruktur und Eigenschaften nachgewiesen wurde, ist das Verhältnis von Großund Kleinwinkelkorngrenzen kein wesentlicher Faktor für die Lebensdauer im HCF Bereich. Ein limitierender Faktor für kommerzielle Anwendungen von SPD Prozessen bzw. damit erzeugten UFG Materialien ist der hohe Fertigungsaufwand. Da der Anstieg der Festigkeit bei SPD Prozessen nicht linear mit der eingebrachten plastischen Dehnung ist und UFG Gefüge mit überwiegend Großwinkelkorngrenzen im Hinblick auf gute HCF Eigenschaften nicht zwingend erforderlich sind, lässt sich ein mögliches Anwendungspotential für Vorstufen von UFG Gefügen ableiten. So konnte gezeigt werden, dass eine Kombination aus einem ECAP Durchlauf gefolgt von Kaltwalzen mit 64% Dickenreduktion (kumulierte Vergleichsdehnung ca. 2,3) eine Dauerfestigkeit erreicht, die bei über 90% dessen liegt was nach fünf ECAP Durchläufen entlang Route BC erreicht wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Anisotropy of Quasi-Static and Cyclic Properties in UFG Iron Processed by ECAP, 17th International Conference on the Strength of Materials (ICSMA 17), Brno, 08/2015
E. Bruder, R. Lapovok
- Influence of equal channel angular pressing on high cycle fatigue behavior of ultrafine-grained iron: Role of anisotropy, Materials Science & Engineering A 711, 2018, 650–658
E. Bruder, C. Gangaraju, R. Lapovok
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.11.075) - Mechanical properties of ARMCO ® iron after large and severe plastic deformation – Application potential for precursors to ultrafine grained microstructures, Metals 8, 2018, 191–202
E. Bruder
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/met8030191)
