Steigerung der Schädigungstoleranz von 100Cr6 durch Beeinflussung des statischen und zyklischen Verfestigungsverhaltens mittels definiert stabilisierten Restaustenits - Restaustenitstabilisierung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Tilmann Beck; Professorin Dr.-Ing. Brigitte Clausen; Professor Dr.-Ing. Ulrich Krupp, seit 2/2021
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 420401443

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Da Bauteile aus hochfesten Stählen aufgrund von Defekten zu einer hohen Lebensdauerstreuung neigen, kann die Erhöhung der Defekttoleranz zu einer Steigerung der Leistungsfähigkeit beitragen. Dementsprechend wurden im Rahmen dieser Forschungsarbeit zwei modifizierte 100Cr6-Legierungen im Labormaßstab entwickelt, welche einen im Vergleich zur Standardzusammensetzung erhöhten Anteil von entweder 1,5 Ma.-% Aluminium oder 1,5 Ma.-% Silizium aufweisen. Um die Defekttoleranz zu erhöhen, wurde auf Basis von Parameterstudien eine Wärmebehandlungsroute ermittelt, die für beide Stähle zu einer bainitischen Mikrostruktur mit einem Restaustenitgehalt von ca. 20 Vol.-% führte. Neben der erhöhten Verformbarkeit der austenitischen Phasen können auch lokale Austenit-α‘-Martensit-Umwandlungen in der Nähe von Defekten die Defekttoleranz erhöhen. Allerdings sind übermäßige verformungsinduzierte Phasenumwandlungen zu vermeiden, da diese zu unerwünschten Formänderungen der Bauteile führen können, weshalb eine hinreichend hohe Restaustenitstabilität erforderlich ist. Trotz feinerer Mikrostruktur des Si-legierten Stahls, unterscheiden sich die quasistatischen Eigenschaften der beiden Stählen kaum, wohingegen die Ermüdungsfestigkeit der Si-legierten Variante größer ist. Im Gegensatz zum Al-legierten Stahl wurde bei der Si-Variante eine Abnahme der Ermüdungsfestigkeit bei einer erhöhten Versuchstemperatur von 100 °C beobachtet. Mit Hilfe des √area-Ansatz konnte nachgewiesen werden, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass die Si-Variante bei 100 °C eine geringere Defekttoleranz als bei Raumtemperatur besitzt, während kein temperaturabhängiger Unterschied der Defekttoleranz bei der Al-Variante zu beobachten ist. Da höhere Temperaturen die verformungsinduzierte Phasenumwandlung hemmen, ist hieraus eine stärkere Phasenumwandlung der Si-Variante bei RT und somit eine geringere Phasenstabilität im Vergleich zur Al-Variante abzuleiten. Diese Ergebnisse konnten mit anwendungsnahen Überrollungsprüfungen an Wälzlagern bestätigt werden. Mit Hilfe von Elektronen- (EPMA) und Atomsondenanalysen (APT) konnte nachgewiesen werden, dass die austenitische Phase im Si-legierten Stahl einen niedrigeren Kohlenstoffgehalt und somit eine geringere Phasenstabilität aufweist und zudem deutlich feiner verteilt vorliegt. Da makroskopische Phasenanalysen mittels Röntgendiffraktometrie keine Umwandlung durch die zyklische Beanspruchung zeigten, ist zu vermuten, dass die Phasenumwandlung nur lokal an den Defekten stattfindet, was durch die geringere Phasenstabilität und feinere Austenitverteilung in der Si-legierten Variante wahrscheinlicher und somit stärker ausgeprägt ist. Folglich konnte in diesem Forschungsprojekt entsprechend der Zielsetzung eine 100Cr6-Variante entwickelt werden, die durch eine feine Verteilung und definierte Stabilität des Restaustenits eine erhöhte Defekttoleranz aufweist, ohne makroskopische Maßänderungen infolge massiver Phasenumwandlungen zu erfahren.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A New Approach to Estimate the Fatigue Limit of Steels Based on Conventional and Cyclic Indentation Testing. Metals, 12(7), 1066.
  Görzen, David; Ostermayer, Pascal; Lehner, Patrick; Blinn, Bastian; Eifler, Dietmar & Beck, Tilmann
  
• Evaluation of the plastic deformation behavior of modified 100Cr6 steels with increased fractions of retained austenite using cyclic indentation tests. Materials Testing, 64(9), 1298-1312.
  Ostermayer, Pascal; Burkart, Klaus; Blinn, Bastian; Surm, Holger; Clausen, Brigitte & Beck, Tilmann
  
• Effect of retained austenite on the fatigue behavior of modified bainitic 100Cr6 steels considering local phase transformation. Materials Science and Engineering: A, 877, 145204.
  Ostermayer, Pascal; Allam, Tarek; Shen, Xiao; Song, Wenwen; Burkart, Klaus; Blinn, Bastian; Clausen, Brigitte; Bleck, Wolfgang & Beck, Tilmann
  
• Influence of the Inherited Structure Induced by Al and Si Alloying on Microstructure Evolution and Mechanical Properties of 100Cr6 Steels. steel research international, 94(6).
  Allam, Tarek; Ostermayer, Pascal; Blinn, Bastian; Beck, Tilmann & Bleck, Wolfgang