Experimental and simulative investigations on the fatigue behavior of compounds, consisted of Cr-based nitride hard coatings on steel substrate under cyclic impact loads and bending stresses“ (Fatigue)
Primary Shaping and Reshaping Technology, Additive Manufacturing
Final Report Abstract
Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens lag in der experimentellen und simulativen Untersuchung des Ermüdungsverhaltens von Werkstoffverbunden aus CrAlN-Schicht und dem Stahlsubstrat HS6-5-2C unter zyklischer Stoß- und Biegebeanspruchung. Insgesamt sollte ein grundlegender Beitrag zur Beschreibung der Versagensmechanismen von Werkstoffverbunden in Korrelation mit den Schichteigenschaften wie chemische Zusammensetzung, Dicke und Eigenspannungszustand geleistet werden. Hierfür wurden die Beschichtungen mit einer chemischen Zusammensetzung von (Cr90Al10)N, (Cr74Al26)N and (Cr66Al34)N jeweils mit einer Dicke von s ≈ 1,7 µm und s ≈ 3,5 µm abgeschieden und anschließend charakterisiert. Der Eigenspannungszustand der CrAlN-Schichten wurde mit der FIB/DIC-Ringkernmethode bestimmt. Zur Erforschung des Werkstoffverhaltens unter zyklischer Belastung wurden Impact-Tests und Biegeversuche im Low Cycle Fatigue (LCF)- und Low Cycle Fatigue (HCF)-Bereich durchgeführt. Die beschichteten Stahlproben wurden mit unbeschichteten Proben hinsichtlich der Dauerfestigkeit bei zyklischer Beanspruchung verglichen. Um die Versagensarten der Prüfkörper zu untersuchen, wurden fundamentale Analysen mittels Rasterelektronenmikroskopie und Rastertransmissionselektronenmikroskopie durchgeführt. Eine Zunahme des Al-Gehalts der Beschichtung führte zu einer höheren Eindringhärte HIT, einem höheren Eindringmodul EIT und höheren Druckeigenspannungen. Die Beschichtungen mit höheren Dicken weisen trotz höherer Eigenspannungen niedrigere HIT- und EIT-Werte auf. Dies lässt sich durch den plastischen Deformationsmechanismus der kolumnaren Neigung in Kombination mit Korngrenzgleiten entlang der Kolumnengrenzen bei der Nanoindentation mittels Berkovich-Indenter erklären. Das verstärkte kolumnare Wachstum dicker Beschichtungen kann zu einer höheren kolumnaren Neigung beitragen. Dies kann den Widerstand der Beschichtung gegen die Eindringung des Indenters reduzieren. Folglich nimmt die plastische Deformation der dicken Beschichtungen, charakterisiert durch Verhältnis der irreversiblen plastischen Arbeit zur Gesamtarbeit während der Nanoindentation ηplas, zu. Bei zyklischer Stoßbeanspruchung erfolgt die plastische Deformation von kolumnaren CrAlN-Schichten durch irreversibles Neigen/Verbiegen der Kolumnen in Kombination mit Korngrenzgleiten entlang der Kolumnengrenzen. Mit zunehmender Schlagzahl entstehen die Ermüdungsrisse im Randbereich des Eindrucks, wo die starke kolumnare Neigung auftritt. Schließlich verlaufen die Risse entlang der Kolumnengrenzen durch die Beschichtung bis zum Substrat. Moderate Druckeigenspannungen können dieses Verhalten hemmen. Sichtbar wird das beim Vergleich der dünnen Schichten mit s ≈ 1,7 µm, bei denen ein höherer Al-Gehalt zu höheren Druckeigenspannungen |σ| ~ 2,7 - 3,4 GPa und geringere plastische Deformation ηplas ~ 40% führt. Hohe Druckeigenspannungen |σ| >> 3 GPa in Kombination mit dickeren Schichten von s ≈ 3,5 µm, bei denen das kolumnare Wachstum mit steigender Schichtdicke noch verstärkt wird, können die plastische Deformation jedoch nicht verhindern (ηplas ~ 45%). Folglich zeigen die dicken Beschichtungen einen reduzierten Widerstand gegen die Initiierung von Ermüdungsrissen. Bei zyklischer Biegebeanspruchung kann die CrAlN-Schicht das Ermüdungsverhalten von HS6-5-2C-Stahl im HCF-Bereich beeinflussen. Dabei werden die Ermüdungsrisse von Karbidclustern die großen Karbidkörner im Substrat initiiert. Die Druckeigenspannungen in der Beschichtung können diesen Rissen im Substrat bis zu einem gewissen Grad unterdrucken. Dies passt zu den durchgeführten Simulationen, bei denen gezeigt werden konnte, dass Substrat und Interlayer wesentlich früher plastische Deformation aufzeigen, als bisher angenommen. Dies kann dementsprechend bei zyklischen Biegebeanspruchungen zu Anrissen im duktilen Bereich an Karbidclustern oder an Grenzflächen führen und vom Substrat her an die Oberfläche wachsen. Insgesamt wurde wichtige Grundlagenarbeit zum Verständnis CrAlN/HS6-5-2C-Verbunden unter einsatznahen Umgebungsbedingungen und den dazugehörigen Versagensmechanismen geleistet.
Publications
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CrN/AlN nanolaminates: Architecture, residual stresses, and cracking behavior. Journal of Vacuum Science & Technology A, 40(1).
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Bobzin, K.; Kalscheuer, C.; Carlet, M. & Tayyab, M.
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3D deformation modeling of CrAlN coated tool steel compound during nanoindentation. Surface and Coatings Technology, 453, 129148.
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