Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten lösungsgeglühter austenitischer (Cr)Mn-Stähle mit C und N
Austenitische rostfreie Stähle vereinen die Eigenschaften der chemischen Beständigkeit mit guten mechanischen Eigenschaften und werden daher, seit deren erster Entwicklung 1912 in einem weiten Spektrum von Anwendungen eingesetzt. Die weitere Verbesserung der chemischen und mechanischen Eigenschaften wurde durch das Zulegieren von N erreicht. Die Löslichkeit von N bei Normaldruck ist ist in der Schmelze beschränkt kann jedoch mittels der Substitution von Ni durch Mn bei gleichzeitiger Erschmelzung unter Überdruck erhöht werden. Basierend auf diesen sog. hochstickstofflegierten austenitischen Stählen (AHNS) wurde kürzlich eine neue Gruppe der sog. hochinterstitielllegierten austenitischen Stähle (AHIS) entwickelt. Mit dem Ziel die Erschmelzung bei Überdruck zu umgehen und damit die Fertigungskosten zu senken wird der bei Normaldruck in der Schmelze nicht lösliche N-Anteil durch C substituiert. Die Festigkeit und Duktilität der AHIS im lösungsgeglühten Zustand ist vergleichbar und übersteigt teilweise diejenige der AHNS und kann durch Kaltverfestigung weiter erhöht werden. Die Dauerfestigkeit folgt dieser Tendenz jedoch nicht in dem erwarteten Ausmaß, wie es von austenitischen CrNi(Mo) Stählen her bekannt ist. Dieser Unterschied ist die Folge unterschiedlichen Gleitverhaltens, welches die Folge von Nahordnung und weiterer Nahfeldeffekte ist. Im Rahmen dieser Arbeit werden die quasistatischen im Zugversuch ermittelten sowie die bei totaldehnungskontrollierter Ermüdung ermittelten mechanischen Eigenschaften, die stabile Rissausbreitung und die Bruchzähigkeit von Stählen der drei genannten Gruppen untersucht. Die Unterschiede im Verhalten werden auf Basis der mikrostrukturellen Veränderungen und Unterschiede bzgl. der genannten Belastungsarten diskutiert.
Die Untersuchung der Mikrostruktur erfolgte mittels Lichtmikroskopie, REM inkl. EBSD sowie TEM, vor und nach der mechanischen Belastung.
Die beste Kombination mechanischer Eigenschaften wird bei gleichzeitig hohem interstitiellem Legierungsgehalt von ca. 0,90 Gew.-%C+N bis 0,96 Gew.-%C+N und hoher Nahordnung erreicht.
Austenitic stainless steels provide a beneficial combination of chemical and mechanical properties and hence have been used in a wide field of applications since the first development in 1912. Further improvement of the chemical and mechanical properties was achieved by Nitrogen alloying. The solubility of N in the melt at ambient pressure is limited but can be improved by substituting Ni with Mn and melting under increased pressure. Based up on the so called austenitic high nitrogen steels (AHNS) recently a new group of so called high interstitial steels (AHIS) was developed. To avoid melting under pressure and hence decrease the production costs, N-content not soluble in the melt under ambient pressure is substituted by certain amounts of C. Strength and ductility of AHIS in the solution annealed state is comparable or even exceeds the one of AHNS and can be further improved by cold working. The endurance limit does not follow this trend to the extent as it is known for cold-worked CrNi(Mo) austenitic steels. This is due to the differences in the slip behaviour depending on short range order and other near field effects. This study presents the tensile, total strain controlled fatigue, crack propagation and fracture toughness properties of austenitic stainless steels from all three groups mentioned above. Further the differences in the behaviour are discussed in relation to microstructural characteristics and their alterations under cyclic loading.
The microstructural investigation was performed by means of light microscopy, SEM including EBSD as well as TEM, prior to and after mechanical testing.
It appears, that a high interstitial content as well as high amount of short range order need to match at the same time in order to achieve the best combination of mechanical properties, which is found at the interstitial content of approximately 0,90 wt.-%C+N to 0,96 wt.-%C+N.
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