Steigerung der Ermüdungsfestigkeit bei HCF- und VHCF-Beanspruchung durch thermomechanische Behandlung im Temperaturbereich der maximalen dynamischen Reckalterung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Vorhaben konnte gezeigt werden, dass eine thermisch-mechanische Behandlung (TMB) im Temperaturbereich der kohlenstoffinduzierten dynamischen Reckalterung die Ermüdungslebensdauern sowie -festigkeiten der vergüteten Stähle 42CrMo4 und 100Cr6 sowohl im hochzyklischen (HCF) als auch im ultrahochzyklischen (VHCF) Lebensdauerbereich verbessern kann. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass dies auf eine Stabilisierung der Versetzungsstruktur um Einschlüsse zurückzuführen ist. Fraktographische Untersuchungen ergaben für TMB Proben gesteigerte maximale Spannungsintensitätsfaktoren um rissinitiierende innere Einschlüsse im Vergleich zu Proben im Initialzustand bei vergleichbaren Lebensdauern und bestätigen somit die positive Wirkung sowohl im HCF- und im VHCF-Bereich. Trotz der gesteigerten Ermüdungseigenschaften wurde im VHCF-Bereich die charakteristische Kornfeinung um kritische Einschlüsse auf den Bruchflächen beobachtet, welche in der Literatur als Feinkornzone (Fine Granular Area, FGA) bezeichnet und für das spätere Versagen verantwortlich gemacht wird. Allerdings zeigten die TMB Proben bei Ultraschallermüdung eine starke Tendenz zu außermittigem Versagen bezogen auf die Probenlängsachse. Im maximal beanspruchten und damit optimal thermischmechanisch behandelten Volumen konnten Einschlüsse mit höheren Spannungsintensitätsfaktor als an den zum außermittigen Versagen führenden Einschlüsse nachgewiesen werden. Bei Analyse mittels Feinbereichsbeugung in unmittelbarer Umgebung dieser nicht versagenskritischen Einschlüsse konnten weder Anrisse noch die eine FGA beobachtet werden. Das Ausbleiben des Versagens sowie der FGA um diese Einschlüsse wird dabei auf die stabilisierende Wirkung der thermomechanischen Behandlung zurückgeführt. Für Oberflächenversagen wurden gegenüber dem Ausgangszustand kürzere Lebensdauern von thermisch-mechanisch behandelten Proben beobachtet. Als Ursache hierfür konnte eine Umlagerung der oberflächlichen Druckeigenspannungen in geringe Zugeinspannungen durch den mechanischen Anteil der TMB identifiziert werden. Ein nachgelagerter Kugelstrahlprozess resultierte in zum Ausgangszustand vergleichbaren Druckeigenspannungen und führte auch bei Oberflächenversagen zu längeren Lebensdauern von thermisch-mechanisch behandelten Proben verglichen mit dem Ausgangszustand. Um die Wirkmechanismen während der TMB weiter zu klären, wurden Proben auch nur rein mechanisch und nur rein thermisch mit den sonst jeweils gleichen Beanspruchungen bzw. Temperaturen wie bei der TMB behandelt, wobei sich bei beiden Varianten keine Verbesserung der Ermüdungseigenschaften gegenüber dem Ausgangzustand zeigten. Somit ist als Wirkmechanismus nur die gleichzeitige Kombination von thermischer und mechanischer Beanspruchung im Temperaturbereich der maximalen dynamischen Reckalterung für die Stabilisierung der Versetzungsstruktur und die Steigerung der HCF- und VHCF-Lebensdauer anzusehen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Properties of the Fine Granular Area and Postulated Models for Its Formation during Very High Cycle Fatigue—A Review. Applied Sciences, 10(23), 8475.
Sippel, Jan Patrick & Kerscher, Eberhard
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Comparison of the Internal Fatigue Crack Initiation and Propagation Behavior of a Quenched and Tempered Steel with and without a Thermomechanical Treatment. Metals, 12(6), 995.
Khayatzadeh, Amin; Guth, Stefan & Heilmaier, Martin
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Influence of a Thermo-Mechanical Treatment on the Fatigue Lifetime and Crack Initiation Behavior of a Quenched and Tempered Steel. Metals, 12(2), 204.
Khayatzadeh, Amin; Sippel, Jan; Guth, Stefan; Lang, Karl-Heinz & Kerscher, Eberhard
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Influence of a thermomechanical treatment on the lifetime of a high strength steel in very high cycle fatigue. ADVANCES IN FRACTURE AND DAMAGE MECHANICS XX, 2848, 020014.
Sippel, Jan & Kerscher, Eberhard
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Influence of fracture toughness and defect size on vibration characteristics and resulting stress amplitude of AISI 52100 and AISI 4140 during ultrasonic fatigue testing. Procedia Structural Integrity, 47, 608-616.
Sippel, Jan Patrick & Kerscher, Eberhard
