Einfluss der Kaltverformung auf das Ermüdungsverhalten von austenitischen hochinterstitiell legierten Stählen
Die Kombination von bereits bekannten und neuen Erkenntnissen erweitert den Wissensstand für funktionelle Werkstoffe, die komplexen Beanspruchungen ausgesetzt werden. Die besonders guten mechanischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften von austenitischen hochinterstitiell legierten Stählen (AHIS) machen diese zu funktionellen Werkstoffen und sind der Grund für den vielfältigen Einsatz in verschiedenen Bauteilen und Anwendungsgebieten.
Für die konstruktive Auslegung von Bauteilen spielen insbesondere die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe eine wichtige Rolle. Während AHIS im lösungsgeglühten Zustand die quasistatischen und zyklischen mechanischen Eigenschaften von konventionellen FeCrNi-Austeniten deutlich übertreffen, gilt dies im kaltverfestigten Zustand lediglich für die quasistatischen mechanischen Eigenschaften. Die Steigerung der mechanischen Festigkeit mittels Kaltverformung ist bei AHIS für die quasistatischen mechanischen Eigenschaften förderlich, jedoch nicht für die zyklischen Eigenschaften wie z. B. die Dauerfestigkeit. Ziel dieser Arbeit ist, den Einfluss von Kaltverformung auf die zyklischen mechanischen Eigenschaften von AHIS zu erklären.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden AHIS im kaltverformten Zustand mit interstitiellen Legierungsanteilen (C+N-Gehalt) von 0,85 – 1,07 Gew% untersucht. Die Kaltverformung erfolgte über definiertes Längsrecken der Proben. Mit Hilfe von quasistatischen Zugversuchen und totaldehnungskontrollierten uniaxialen Zug-Druck-Ermüdungsversuchen konnten die quasistatischen und zyklischen mechanischen Eigenschaften der untersuchten AHIS gemessen werden. Anschließend wurden die beanspruchten Proben im Lichtmikroskop, REM (EBSD) und TEM untersucht.
Die quasistatischen Festigkeiten der untersuchten AHIS wurden mittels Kaltumformung sowie steigenden interstitiellen Legierungsanteilen C+N erhöht. Entgegen der quasistatischen mechanischen Eigenschaften im kaltverformten Zustand, wurden mit erhöhtem interstitiellen C+N-Gehalt die zyklischen mechanischen Eigenschaften der AHIS verschlechtert. Die ausgeprägte Versetzungs- sowie Mischkristallverfestigung der AHIS Werkstoffe im kaltverformten Zustand führt zu einer hohen Anzahl an Sekundärrissen an der Probenoberfläche und im Probeninneren. Auffällig ist, dass viele Sekundärrisse entlang von persistenten Lüdersbändern zu erkennen sind.
Auch wenn die zyklischen mechanischen Eigenschaften von AHIS mittels Kaltverformung nicht deutlich verbessert werden können, wird die Robustheit gegenüber Schäden erhöht. Die hohe Anzahl an Sekundärrissen führt zur Entspannung und Rissverzweigung in den AHIS und somit zu einer verlängerten Lebensdauer im Bauteil.
The combination of already known and new knowledge makes it easier to understand and design functional materials like austenitic high interstitial steels (AHIS). AHIS are functional metals because of their advantageous mechanical, chemical and physical material properties. These properties are the main reason, why AHIS are used for diverse applications in different industrial domains.
Especially mechanical properties of materials play an essential role for technical design of applications. In solution annealed state AHIS show better monotonic and cyclic strength than conventional FeCrNi-steels. In cold worked state only the monotonic strength is better than FeCrNi-steels. The endurance limit doesn’t increase in the same ratio as the yield strength in cold worked AHIS.
In this study, the influence of cold working on the fatigue behaviour of AHIS with C+N- content of 0.85 – 1.07 wt-% was investigated. The specimens were cold worked by a defined strain rate. After cold working the specimens were fatigued by total strain controlled fatigue tests at room temperature. Monotonic and cyclic mechanical properties e.g. tensile strength and endurance limit of AHIS were measured by means of mechanical testing.
After mechanical testing the samples were investigated using optical microscopy, SEM including EBSD and TEM.
The monotonic strength of AHIS increases with cold working and increasing content of the interstitial alloying elements C+N. Cold working and an increasing content of interstitial alloying elements C+N have an opposite effect on the endurance limit of AHIS. With increasing content of interstitial alloying elements C+N and increasing cold working state the cyclic strength e.g. endurance limit decreases in AHIS.
The distinct ability of dislocation hardening and solid solution hardening of AHIS promotes the formation of secondary cracks at the surface and in the bulk of the specimens. Most secondary cracks were found along persistent Lueders bands.
The advantage of cold worked AHIS is the higher robustness against damage. A high amount of secondary cracks leads to relaxation within the material and permits crack branching. Thus, the lifetime of the AHIS material and component can be extended.
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