Bewertung der Effizienz mikrostruktureller Barrieren durch in-situ Messung der Rissöffnungsverschiebung
Glass, Ceramics and Derived Composites
Final Report Abstract
Ein einphasiger Austenitstahl (X2CrNiMo18-14-3) und ein zweiphasiger austenitisch-ferritischer Duplexstahl (X2CrNiMo22-5-3) wurden hinsichtlich der Rissinitiierung, des Rissausbreitungsmechanismus‘, des Zusammenhangs zwischen der Rissausbreitungsrate und der Risslänge sowie der Barrierenwirkung der Korn- und Phasengrenzen gegenüber dem Kurzrisswachstum untersucht. Bezüglich der Rissinitiierung konnte für den Austenitstahl gezeigt werden, dass mit steigender plastischer Dehnungsamplitude die relative Häufigkeit der Zwillingsgrenzen als Rissinitiierungsort sinkt, während der Anteil nicht spezieller Korngrenzen steigt. Das untermauert die Tatsache, dass es sich bei der Rissinitiierung an Zwillingsgrenzen um eine Effekt der elastischen Anisotropie der verzwillingten Körner handelt, welcher zu Zusatzspannungen in der Zwillingsebene führen kann und dadurch auch bei geringen äußeren Spannungen lokal plastische Verformung ermöglicht. Für den Duplexstahl wurden als häufigster Ort der Rissinitiierung die Korngrenzen zwischen ferritischen Körnern identifiziert, gefolgt von Gleitbändern im Austenit, den Phasengrenzen sowie den Zwillingsgrenzen zwischen austenitischen Körnern. Als Ursache für den hohen Anteil (22%) an transkristallin im Austenit entstehenden Rissen gegenüber dem einphasigen Austenitstahl (5%) wurde die im Duplexstahl vorhandene große Anzahl an austenitischen Körnern identifiziert, die sowohl einen hohen E-Modul besitzen und damit große Spannungen erfahren als auch eine Fläche aufweisen, die größer als die mittlere Kornfläche ist. Bezüglich des Rissausbreitungsmechanismus‘ wurde die für die ferritische Phase in der Literatur zu findende These des Einfachgleitens widerlegt. Zwar konnte gezeigt werden, dass bei der plastischen Verformung der Rissspitze wie für einen Einfachgleitmechanismus erwartet der Scheranteil den Öffnungsanteil überwiegt. Dennoch wurde nachgewiesen, dass die Rissausbreitung über die alternierende Betätigung eines {110}<111>- und eines {112}<111>-Gleitsystems mit ein und derselben Gleitrichtung abläuft. Im Zuge der Rissausbreitung findet also ein Wechsel der Gleitebene um eine Gleitrichtung statt, der sich bei einer parallel zur Oberfläche liegenden Gleitrichtung ausschließlich in der Tiefe im Risspfad widerspiegelt. Besitzt die Gleitrichtung dagegen eine ausgeprägte Komponente senkrecht zur Oberfläche, schlägt sich der Wechsel in einer Art Zickzackmuster auch an der Oberfläche nieder. Für die austenitische Phase wurde gefunden, dass bei der plastischen Verformung der Rissspitze der Öffnungsanteil gegenüber dem Scheranteil überwiegt, was auch für die in der Literatur zu findende These des Doppelgleitmechanismus erwartet wird. Die Untersuchung der Topographie der Rissflanken im hochauflösenden Rasterelektronenmikroskop (REM) zeigt jedoch, dass in der Regel mehr als zwei Gleitsysteme betätigt werden. Die Barrierenwirkung der Korn- und Phasengrenzen gegenüber dem Kurzrisswachstum konnte in den untersuchten Materialien sowohl über die Messung der plastischen Verformung der Rissspitze als auch der Rissausbreitungsrate jeweils als Funktion des Abstands zwischen Rissspitze und Korn- bzw. Phasengrenze erfasst werden. Demnach breiten sich die Risse zunächst mit annähernd konstanter Rate im Korn aus, bis die plastische Zone vor der Rissspitze auf die Grenze trifft und in ihrer Ausbreitung gehindert wird, was ein stetiges Absinken der Ausbreitungsrate sowie der plastischen Verformung der Rissspitze zur Folge hat. Dieser Zusammenhang konnte über die Abbildung der plastischen Zone verschiedener Risse im REM und dem Vergleich von deren Ausdehnung mit dem Beginn der Absenkung der Ausbreitungsrate bzw. plastischen Rissspitzenverformung erschlossen werden. Zusätzlich ergibt sich aus der Analyse des Zusammenhangs zwischen Risslänge und Ausbreitungsrate, dass die hochsymmetrischen Zwillingsgrenzen im Austenit vermutlich keine signifikante Barrierenwirkung aufweisen.
Publications
- Influence of crack length and grain boundaries on the propagation rate of short cracks in austenitic stainless steel. Scripta Mater. 67 (2012) 677
M. Scharnweber, W. Tirschler, V. Mikulich, S. Jacob, C.-G. Oertel, W. Skrotzki
(See online at https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2012.07.007)
