Elasto-plastisches Verhalten stickstofflegierter ferritisch-austenitischer Duplexstähle unter thermomechanischer Belastung

• Antragsteller: Professor Dr. Ewald Werner
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2003 bis 2007
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5404936

• Erstellungsjahr: 2008

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Zum Zeitpunkt der Antragstellung war bekannt, wie sich ferritisch austenitsche Duplexstähle unter zyklisch mechanischen Lasten bei konstanter Prüftemperatur verhalten. Das Ermüdungsverhalten dieser Stähle hängt unter diesen Bedingungen vom Aufbau des Gefüges (Menge, Gestalt der beiden Phasen), vom Gehalt an gelöstem Stickstoff (vornehmlich im Austenit) und von der lokalen Textur des Werkstoffs ab. Auch Eigenspannungen im Phasenverbund und die Orientierung der angelegten Last relativ zu einer eventuellen Gefügevorzugsrichtung nehmen Einfluss auf den Fortschritt der Ermüdung. In einem Vorgängerprojekt wurden systematisch sowohl experimentell als auch theoretisch das zyklisch-thermische Verformungsverhalten ohne zusätzliche äußere mechanische Last für uniaxial-anisotrope Duplexstähle erforscht und die Bedingungen für das Auftreten von charakteristischen thermisch induzierten Verformungsarten (shakedown, ratchetting) erarbeitet. Ziel des aktuellen Vorhabens war es, das Verhalten von Duplexstählen unter kombinierter zyklisch thermischer und konstanter mechanischer (Zug- oder Druck-) Last zu erforschen und dabei die Bedeutung des Gefügeausbildung, der Stabilität des Gefüges hinsichtlich eventueller Phasenumwandlungen und der Einzelphaseneigenschaften aufzuklären. Darüber hinaus war es das Ziel, zu einem besseren Verständnis der Wechselwirkung von thermisch induzierten Eigenspannungen in Kombination mit von außen aufgebrachten Spannungen zu gelangen, um so Richtlinien zur Verbesserung des bisherigen Berechnungsverfahren für den sicheren Einsatz von Duplexstählen aber auch für die richtige Wahl von thermo-mechanischen Herstellrouten für andere mehrphasige Werkstoffe aufzuzeigen. Die experimentellen Untersuchungen zur thermo-mechanischen Stabilität der Phasen ergaben, dass für die gewählten Heiz- und Kühlraten das Verformungsverhalten nicht durch Phasenumwandlungen (σ-Phasenbildung im Austenit) beeinflusst wird. Bei extremen Lastpaaren (hohe Zyklusendtemperatur bzw. hohe mechanische Last) neigt Ferrit zur Subkornbildung. Die starke uniaxiale Gefügeanisotropie der geschmiedeten Duplexstähle führt bei der thermischmechanisch gekoppelter Belastung zu ausgeprägtem Ratchettingverhalten, wobei die Höhe der mechanischen Last über die Einsatztemperatur von Ratchetting entscheidet. Für die Stähle wurden Verformungskarten (Bree-Diagramme) erstellt und diese mit den Prognosen von mikromechanischen (analytischen und numerischen) Berechnungen abgeglichen. Es wurde gezeigt, dass die mittlere Probenverformung pro Lastzyklus ein sensitives Maß für die Beurteilung des Verformungsverhaltens der Duplexstähle ist. Die sich an der Oberfläche der Proben infolge inelastischer Deformation ausbildende Rauhigkeit nimmt mit der Zyklenzahl zu und hängt von der lokalen Gefügetopologie (Phasenanordnung in oberflächennahen Probenbereichen) ab. Die Messmethode ist allerdings zu insensitiv, um den Einfluss der (chemischen) Stahlzusammensetzung erkennen zu lassen. Die Berechnungen mit Hilfe des Zwei-Balken-Modells bzw. der mikrostrukturierten Einheitszellentechnik erlauben die Prognose der makroskopischen Probenverformung und die theoretische Ermittlung von Bree-Diagrammen. Die Resultate zeigen, dass die Berechnungen das Werkstoffverhalten konservativ voraussagen, d.h. die kritischen Einsatztemperaturen für Ratchetting niedriger sind, Ursache dafür sind experimentell beobachtete, in den Berechnungen aber unberücksichtigte Verfestigungseffekte der Phasen während der zyklischen Belastung. Die Berechnungen demonstrieren darüber hinaus eindrucksvoll, dass eine rechenzeitintensive, vollnumerische Behandlung thermomechanischer Probleme oftmals nicht gerechtfertigt ist, wenn einfache und aussagekräftige (analytisch lösbare) Ansätze aus der Kontinuumsmechanik zur Verfügung stehen. Am Ende der Projektlaufzeit wurde begonnen, die Untersuchungen hinsichtlich der Gefügestabilität bei thermomechanischer Belastung auch auf die Nickelbasislegierung IN 718 zu erstrecken.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A. Weisbrodt-Reisch, C. Messner, E.A. Werner, Microstructural stability of high nitrogen alloyed duplex stainless steels at high temperatures and its relation to magnetic properties; 7th International Conference on High Nitrogen Steels, Ostende, B, 2004.
  
  
• A. Weisbrodt-Reisch, C. Messner, E.A. Werner, Microstructural stability of high nitrogen alloyed duplex stainless steels at high temperatures and its relation to magnetic properties; Proceeding: 7th International conference on high nitrogen steels, Ostende, B, 2004; N. Akdut, B.C. De Cooman and J. Foct (Eds.), GRIPS media, Bad Harzburg (147-155), 2004.
  
  
• A. Weisbrodt-Reisch, M. Brummer, B. Hadler, B. Wolbank, E.A. Werner, Influence of temperature, cold deformation and a constant mechanical load on the microstructural stability of a nitrogen alloyed duplex stainless steel, Mater. Sci. Engng. A 416 (1-10), 2006.
  
  
• B. Messner, C. Messner, E.A. Werner, On the ratchetting limit of forged duplex steels under combined thermal and mechanical loads, Mater. Sci. Engng. A 424, 2006, 154-162.
  
  
• B. Messner, C. Messner, E.A. Werner, On the thermomechanical stability of high-nitrogen alloyed duplex stainless steels, Proceeding: 8th International conference on high nitrogen steels 2006, H. Dong, J. Su, M.O. Speidel (Eds.), Beijing, Metallurgical Industry Press, (207- 213), 2006.
  
  
• B. Messner, Duplexstähle unter kombinierter zyklisch thermischer und konstant mechanischer Belastung, Doktorarbeit, TU München, Verlag H. Hieronymus, München 2007.
  
  
• B. Wolbank, A. Weisbrodt-Reisch, C. Messner, E.A. Werner, Magnetinduktive Bestimmung des Austenitgehaltes in stickstofflegierten Duplex-Stählen, Arbeitskreis für Umformdilatometrie, Düsseldorf, 2005.
  
  
• B. Wolbank, C. Messner, E. Werner, On the ratchetting limit of two-phase materials as a function of combined thermal and mechanical loads with special emphasis on duplex steels, Euromech Colloquium 466, Loughborough, UK, 2005.
  
  
• B. Wolbank, C. Messner, E.A. Werner, Combined cyclic thermal and mechanical loading of high nitrogen alloyed duplex steels; Proceeding: 7th International Conference on High Nitrogen Steels, Ostende, B, 2004.
  
  
• B. Wolbank, C. Messner, E.A. Werner, Combined cyclic thermal and mechanical loading of high nitrogen alloyed duplex steels; Proceeding: 7th International conference on high nitrogen steels, Ostende, B, 2004; N. Akdut, B.C. De Cooman and J. Foct (Eds.), GRIPS media, Bad Harzburg (471-479), 2004.
  
  
• B. Wolbank, E.A. Werner, Thermomechanische Belastung von Duplexstahl-Inbetriebnahme des Zugadapters DIL805T, Arbeitskreis für Umformdilatometrie, ETH, Zürich, 2004.
  
  
• C. Messner, A. Weisbrodt-Reisch, E.A. Werner, V.V. Silberschmidt, Thermally induced surface roughness of duplex steels; 5th International Congress on Thermal Stresses, Blacksburg, 2003; Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, USA, 2003.
  
  
• C. Messner, A. Weisbrodt-Reisch, E.A. Werner, V.V. Silberschmidt, Thermally induced surface roughness of duplex steels; Proceeding: 5th International congress on Thermal Stresses, Blacksburg, 2003; L. Librescu and P. Marzocca (Eds.), Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, USA, 2003.
  
  
• C. Messner, C. Oberndorfer, E. Werner, Anisotropy of surface roughness of duplex steels: role of the microstructure, 13th International Workshop on Computational Mechanics of Materials, Magdeburg, Germany, 2003.
  
  
• C. Messner, C. Oberndorfer, E.A. Werner, Surface roughness of duplex steels: role of the microstructure, Comp. Mat. Sci. 32, (455-462), 2005.
  
  
• C. Messner, E.A. Werner, Gekoppelte thermisch-mechanische Belastung von Duplex-Stählen, DGM-Fachausschuss ¿ Metallmatrix Verbundwerkstoffe, EADS, Ottobrunn, 2004.
  
  
• C. Messner, Thermal and mechanical loading of duplex steels, Doktorarbeit, TU München, VDI-Fortschritt-Berichte, Reihe 5, Nr. 694, VDI-Verlag, Düsseldorf, 2004
  
  
• C. Messner, V.V. Silberschmidt, E.A. Werner, Thermally induced surface roughness in austenitic- ferritic duplex stainless steels, Acta Mater. 51 (1525-1537), 2003.
  
  
• J. Repper, Gefügeanalyse von IN 718 Flachstauchproben, 33. Bayerisch-Tirolerisches Mechanikkolloquium, München, 2007
  
  
• M. Ries, B. Messner, E. Werner, Experimente mit Flachproben im Dil805T-Test des Flachprobenadapters, Arbeitskreis für Umformdilatometrie, Salzgitter, 2006.
  
  
• V.V. Silberschmidt, E. Werner, C. Messner, Thermal loading of duplex steels, ASME Journal of Engineering Materials and Technology, 125 (56-64), 2003.