Bildung von Mikrorissen an Korngrenzen - Einfluß der Orientierung auf lokale Oberflächenspannungen und auf die Ermüdungsrißbildung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im ersten Teil des Projektes wurde der Einfluss von Gefügeinhomogenitäten auf die lokalen Spannungen in der Umgebung von Grenzflächen und damit auf die Rissbildung in Experiment und Simulation im Bereich der Dauerfestigkeit untersucht. In dünnen, durchrekristallisierten Flachproben aus Fe-3%Si wurde die Lage und Orientierung der Korngrenzen und der angrenzenden Körner im REM mittels Orientation Imaging Microscopy (OIM) bestimmt. Diese Daten dienten als Eingangsdaten für dreidimensionale Finite Elemente (FE)-Rechnungen der lokalen Spannungen. An den gleichen Proben wurde die Ermüdungsrissbildung mit der Replikatechnik untersucht und mit den Vorhersagen der FE-Rechnung verglichen. Dabei wurde für die Rissbildung in der Nähe der Dauerfestigkeit eine sehr gute Übereinstimmung mit der Vorhersage aus der anisotropen Elastizitätstheorie festgestellt. Die Risse bildeten sich in unmittelbarer Nähe parallel zu den Korngrenzen mit den höchsten Inkompatibilitätsspannungen. Eine genauere Untersuchung, welche lokalen Schädigungsvorgänge der Rissbildung voraus gehen, sollte innerhalb des Berichtszeitraumes durchgeführt werden. Ziel des gesamten Projektes war die Entwicklung eines Algorithmus, der aus der Orientierungsverteilung die Ortsabhängigkeit der Rissbildungswahrscheinlichkeit in der Nähe der Dauerfestigkeit liefert. Ein wesentlicher Beitrag zur Abbildung plastischer Zonen und vor allem unregelmäßiger Versetzungsstrukturen im REM war die Weiterentwicklung der Electron Channelling Contrast Imaging (ECCI)-Technik zur ECCI+-Technik. Dabei werden mittels eines Bildbearbeitungsalgorithmus Rückstreuelektronenbilder, die unter mehreren aufeinander folgenden Kippwinkeln aufgenommen wurden, überlagert. Damit ist, wie anhand von Härteeindrücken gezeigt wurde, das ganze Ausmaß von plastischen Zonen abzubilden. Als wesentliche Ergebnisse konnte gezeigt werden, dass anhand der relativ einfachen rein elastisch anisotropen Rechnung die Positionen für potentielle Schädigung berechnet werden können und mittels ECCI im REM auch experimentell erfasst werden können. Zusätzlich konnten an mehreren Proben nahezu alle Stadien der Ermüdungsrissbildung und Ausbreitung festgehalten und untersucht werden: spezielle für Ermüdung typische Versetzungsstrukturen entstehen vornehmlich an Tripelpunkten und Korngrenzen mit hohen Inkompatibilitätsspannungen. Sie setzten sich innerhalb eines Kornes nicht einheitlich fort, sondern variieren in Art und Dicht von Ort zu Ort, beeinflusst durch die Nachbarkörner. Dabei bilden sich Persistente Gleitbänder (Persitent Slip Bands, PSBs) vornehmlich in der Nähe von Zwillingskorngrenzen und führen schließlich zur Anrissbildung. Unterschiedlich starke Wechselwirkungen zwischen Rissen und Korngrenzen können anhand von unterschiedlich stark ausgebildeten plastischen Zonen identifiziert werden. Im Fall relativ großer plastischer Zonen oder von starken Wechselwirkungen ist die Abbildung der plastischen Zone sogar mittels Barkhausenrausch- und Wirbelstrommikroskopie (Barkhausen Noise and Eddy Current Microscope, BEMI) möglich. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass prinzipiell aus lokalen Orientierungsmessungen mittels 3D anisotrop elastischen FE-Rechnungen bei kleinen Spannungsamplituden unterhalb der Fließspannung Positionen mit Spannungsüberhöhungen identifiziert werden können, die lokal die Fließspannung übersteigen. An diesen Stellen bilden sich lokale Versetzungsstrukturen, die dann zum Anriss führen. Die Rechnungen wurden für eine einsinnige Zugbelastung und den Ausgangszustand der Proben durchgeführt, d.h. die mit der Ausbildung von Versetzungsstrukturen einhergehende Ver- bzw. Entfestigung wurde bisher nicht berücksichtigt. Das soll nun in weiteren Arbeiten anhand von Nanoindenter-Messungen in den geschädigten Probenbereichen quantitativ untersucht werden. Vorversuche hierzu laufen bereits. Des Weiteren soll die Korrelation zwischen Versetzungsstrukturen, Rissen und plastischen Zonen im Zusammenhang mit Eigenspannungen ortsaufgelöst mittels BEMI gemessen werden. Vorversuche hierzu waren erfolgreich, ein Antrag gemeinsam mit dem Fraunhofer- Institut für zerstörungsfreie Prüfverfahren (IzfP) wurde bereits eingereicht und ist zur Zeit in Überarbeitung. Mögliche Anwendungen: Die grundlegenden Experimente zur sukzessiven Bestimmung der mit zunehmender Schädigung lokal fortschreitenden Veränderung der mechanischen Eigenschaften sollen als Grundlage zur Eingabe des plastischen Materialverhaltens zur Simulation für zyklisch belastete Bauteile benutzt werden. Damit könnte dann Lebensdauerberechnungen speziell für solche Bauteile durchgeführt werden, deren Abmessungen in der Größenordnung der Körner liegen. Als mögliche Anwendungsgebiete sind hier die Mechatronik und die Medizintechnik zu nennen. Die Ergebnisse der BEMI-Messungen sollen benutzt werden, um das technisch recht einfach handhabbare BEMI-Verfahren, das zudem eine sehr hohe laterale Auflösung besitzt, für Messungen zum aktuellen Schädigungsstand hoch beanspruchter Bauteilen während des Einsatzes zu Inspektionszwecken weiter zu entwickeln. Partner hierbei ist in einem bereits gestellten Antrag das Fraunhofer-Institut für zerstörungsfreie Prüfverfahren (IzfP).
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- OIM und ECCI zum Studium von plastischen Zonen um Mikrohärteeindrücke. Junior DGM-Tag, Hanau, Deutschland, 18.05.2005
Welsch M. T., Marx M., Hennning M., Vehoff H.
- Plastic zones of micro indents an crack tips investigated by „Electron Backscatter Diffraction‘‘ and „Electron Channeling Contrast Imaging‘‘. 3rd International EEIGM/AMASE Workshop of Advanced Materials Research, Saarbrücken, Deutschland, 09.06.2005
Welsch M. T., Marx M., Hennning M., Vehoff H.
- Crack initiation at grain boundaries investigated by scanning electron microscopy techniques. 1. Treffen des deutsch-französischen Graduiertenkollegs, Dreisbach/ Saar, Deutschland, 09.-10.11.2006
Welsch M. T.
- EBSD zur Messung lokaler Orientierungsbeziehungen in Kombination mit Methoden zur Untersuchung mikrostruktureller Schädigungsmechanismen. DGM/DVM Arbeitskreis Mikrostrukturcharakterisierung im Rasterelektronenmikroskop, Halle/Saale, Deutschland, 12.-13.07.2006
Welsch M. T., Marx M., Hennning M., Schäf W., Vehoff H.
- The mechanisms of the interaction of micro cracks with grain boundaries: in-situ investigations in the SEM by FIB, EBSD and electron channeling contrast. Proceedings of the 9th International Fatigue Congress, Atlanta, USA, 14.–19.05.2006
Marx M., Vehoff H., Schaef W., Welsch M. T.
- The mechanisms of the interaction of microcracks with grain boundaries: In-situ investigations in the SEM by FIB, EBSD and electron channeling contrast. In: Proceedings of the 9th international Fatigue Congress, Atlanta, USA, 14.-19.05.2006
Marx M., Vehoff H., Schäf W., Welsch M.
- Local stress incompatibilities as source of dislocation nucleation and damage. 71st Annual Meeting of the DPG, Regensburg, Deutschland, 26.-30.03.2007
Welsch M. T., Marx M., Vehoff H.
- Localized plastic deformation at the transition from low cycle to high cycle fatigue. 13th International Symposium on Plasticity and its current Applications, Girdwood, Alaska, USA, 02.–06. 06. 2007
Marx M., Welsch M. T., Vehoff H.
- Localized plastic deformation at the transition from low cycle to high cycle fatigue. Proceedings of the 13th International Symposium on Plasticity and its current Applications, Girdwood, Alaska, 02.-06. June 2007
Marx M., Welsch M. T., Vehoff H.
- Lokale Inkompatibilitätsspannungen als Ursache für Versetzzungsbildung und Schädigung. 8. Tagung Gefüge und Bruch, Bochum, Deutschland, 26.-27.02.2007
Welsch M. T., Marx M., Hennning M., Vehoff H.
- Measuring the plastic zone size by orientation gradient mapping (OGM) and electron channeling contrast imaging (ECCI). Adv. Eng. Mater., Vol. 9, S. 31-37, 2007
Welsch, M.T., Henning M., Marx M., Vehoff H.
- Development of dislocation structures previous to fatigue crack initiation. 6th International Conference on Low Cycle Fatigue, Berlin, Deutschland, 08.-12.09.2008
Welsch M. T., Marx M., Vehoff H.
- Development of dislocation structures previous to fatigue crack initiation. In: Portella P. D., Beck T., Okazaki M. (Ed.): LCF6 - Sixth International Conference on Low Cycle Fatigue, Berlin, Germany, 08.–12. 09. 2008
Welsch M. T., Marx M., Vehoff H.
- Evolution of microstructure during deformation. Materials Science and Engineering, Nürnberg, Deutschland, 01.-04.09.2008
Welsch M. T., Marx M., Vehoff H.
- Focused ion beam as new tool for local investigations of the interaction of microcracks with grain boundaries. Journal of ASTM International, Vol. 5, 9,19, Oct. 2008
Marx, M., Schäf, W., Welsch, M.T., Vehoff, H.
- Interaction of cracks and dislocations with grain boundaries investigated by focus ion beam microscopy and nanoindentation technique. Materialprüfung, Vol. 50, 3, 118-125, 2008
Vehoff, H., Marx, M., Welsch, M., Schäf, W., Yang, B., Lemaire, D.
- Microstructural damage mechanism from dislocation emission till fatigue crack propagation. Proceedings of the Eight International Conference on Fundamentals of Fracture (ICFF 8), Hongkong and Guangzhou, China. January 2008
Marx, M., Schäf, W., Welsch, M.T., Vehoff, H.
