Use of gamma-magnetic test methods for the evaluation of the damage evolution in metallic materials subjected to cyclic loading

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Peter Starke
• Subject Area: Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
• Term: from 2020 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 440056409

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden neben konventionellen Dehnungsmessungen thermometrische, elektrische und auf der Magnetik beruhende Messverfahren zur Charakterisierung des Werkstoffverhaltens unter quasistatischer Zug- und Ermüdungsbeanspruchung der Stähle C22R und 20MnCrS5 eingesetzt. Es wurden jeweils normalisierte und zwei Vergütungszustände mit Anlasstemperaturen von 650°C und 250°C betrachtet. Dabei wurde das Potenzial von Zug-, Laststeigerungs- und Einstufenversuchen mit eingeschobenen lastfreien Haltezeiten (mit unterschiedlichen Haltedauern) genutzt, um Beanspruchungs- und Temperatureinflüsse in den Messsignalen der Resistometrie und der Magnetik zu separieren. Es konnte gezeigt werden, dass die Temperaturmessung eine sehr sensitive Methode ist, die eng mit der plastischen Dehnungsamplitude korreliert, dabei aber den Vorteil bietet, dass Gefügeveränderungen sehr lokal an der Probenoberfläche detektiert werden können. Im Rahmen der Untersuchungen zeigte sich, dass die Temperaturmessung am besten geeignet ist das Wechselverformungsverhalten über die gesamte Lebensdauer abzubilden. Die elektrische Widerstandsmessung wurde sowohl kontinuierlich als auch in den lastfreien Haltezeiten durchgeführt. Insbesondere letztere korreliert aufgrund der Separierung von Temperatur und mechanischer Spannung sehr gut mit der Zunahme der Defektdichte. Bei den Messungen des magnetischen Barkhausenrauschens (MBN) wurden B-H-Schmetterlingskurve entlang der verschiedenen Ermüdungsstadien erfasst und die Entwicklung kontinuierlich verfolgt. Da das MBN-Signal sehr empfindlich auf äußere und innere Belastungen sowie auf die Temperatur reagiert, wurden diese Messungen wie zuvor beschrieben nicht kontinuierlich, sondern in lastfreien Haltezeiten mit unterschiedlichen Zeitdauern durchgeführt. Dadurch wurde es möglich, verschiedene mit der Ermüdung in Zusammenhang bringbare Einflussfaktoren zu separieren und die Veränderung des MBN-Signals der Schadensentwicklung zuzuordnen, was zu einem deutlichen Mehrwert für die Interpretation der Ergebnisse führte. Um dies in Zusammenhang mit den ablaufenden Versetzungsreaktionen zu bringen, wurden am Lehrstuhl für Werkstoffkunde der Universität Paderborn an ausgewählten Proben transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen durchgeführt. Insbesondere erste zyklische Entfestigungsvorgänge in Laststeigerungs- und Einstufenversuchen aber auch erste mikroplastische Verformungen im Zugversuch konnten mit der MBN-Messung mit hoher Trennschärfe aufgelöst werden, wobei im Bereich ausgeprägter zyklischer Verfestigung die Temperatur- und die elektrische Widerstandsänderung deutlich mehr Informationen zum Ermüdungsverhalten bereitstellen konnten. Der weitere Fokus des Forschungsprojektes lag auf einer Weiterentwicklung der Lebensdauerprognoseverfahren, was neben der Verbesserung der Prognosequalität auch die Implementierung von Werkstoffspezifika wie z.B. Werkstoffzustand und chemische Zusammensetzung umfasste. Neben der anwendungsorientierten Optimierung der StressLife-Methode, wurde die auf StressLife basierende Methode MaRePLife (Material Response Partitioning) entwickelt und mit den aufgenommenen Versuchsdaten validiert. Darüber hinaus wurde die Methode dahingehend konzipiert, dass neben Werkstoffinformationen aus den kontinuierlichen Verläufen auch diese aus den lastfreien Haltezeiten genutzt werden können, was insbesondere für die Ableitung von Merkmalen aus den elektrischen Widerstands- und MBN-Signalen von hoher Relevanz ist. Sowohl die Berechnungsergebnisse von StressLife als auch die von MaRePLife, welche auf Daten der durchgeführten Zug-, Laststeigerungs- und Einstufenversuche basieren, zeigen im High-Cycle-Fatige Bereich (104 bis 106 Zyklen) eine überwiegend gute Übereinstimmung zwischen den verschiedenen Messverfahren und mit den zur Validierung durchgeführten Einstufenversuchen. Diese ersten vielversprechenden Ergebnisse sollen in weiterführenden systematischen Untersuchungen an verschiedenen Werkstoffen weiterverfolgt und umfänglich validiert werden.

Publications

• A unified fatigue life calculation based on intrinsic thermal dissipation and microplasticity evolution. International Journal of Fatigue, 131, 105370.
  Teng, Zhenjie; Wu, Haoran; Boller, Christian & Starke, Peter
  
• Thermodynamic entropy as a marker of high‐cycle fatigue damage accumulation: Example for normalized SAE 1045 steel. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 43(12), 2854-2866.
  Teng, Zhenjie; Wu, Haoran; Boller, Christian & Starke, Peter
  
• Evaluation of S-N curves including failure probabilities using short-time procedures. Materials Testing, 63(8), 705-713.
  Acosta, Ruth; Boller, Christian; Doktor, Markus; Wu, Haoran; Jost, Hanna; Weber, Fabian & Starke, Peter
  
• Parametrische und nichtparametrische Statistik als Ergänzung für Kurzzeitverfahren zur Ermüdungslebensdauerberechnung, Proceedings Tagung Werkstoffprüfung 2021, 02.-03. Dezember, Aachen (2021) 337-342
  H. Wu, M. Doktor, P. Starke
  
• Characterization of the Fatigue Behaviour of Low Carbon Steels by Means of Temperature and Micromagnetic Measurements. Metals, 12(11), 1838.
  Wu, Haoran; Raghuraman, Srinivasa Raghavan; Ziman, Jonas Anton; Weber, Fabian; Hielscher, Torsten & Starke, Peter
  
• Short-Time Fatigue Life Estimation for Heat Treated Low Carbon Steels by Applying Electrical Resistance and Magnetic Barkhausen Noise. Materials, 16(1), 32.
  Wu, Haoran; Ziman, Jonas Anton; Raghuraman, Srinivasa Raghavan; Nebel, Jan-Erik; Weber, Fabian & Starke, Peter