Einfluss der Hochverformung auf das Ermüdungsverhalten eines austenitischen Stahls

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDiplomarbeit

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Einfluss der Hochverformung auf das Ermüdungsverhalten eines austenitischen Stahls. / Renk, Oliver.
2011.

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDiplomarbeit

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title = "Einfluss der Hochverformung auf das Erm{\"u}dungsverhalten eines austenitischen Stahls",
abstract = "Ultrafeink{\"o}rnige und nanokristalline Werkstoffe, die durch Methoden der Hochverformung hergestellt werden, stellen eine neue Klasse von Werkstoffen dar. Durch die Hochverformung k{\"o}nnen die mechanischen Eigenschaften des Ausgangsmaterials {\"u}ber weite Bereiche ver{\"a}ndert werden. Das Interesse an diesen neuartigen Materialien zeigt auch der steigende Anteil an Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet. Gr{\"o}{\ss}ere Probenabmessungen erm{\"o}glichen die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften wie Z{\"a}higkeit oder Erm{\"u}dungsverhalten. F{\"u}r potentielle Anwendungen, beispielsweise f{\"u}r medizinische Implantate, sind gerade die Erm{\"u}dungseigenschaften von gro{\ss}er Relevanz. In den letzten Jahren wurden vor allem Studien {\"u}ber das Erm{\"u}dungsverhalten ultrafeink{\"o}rniger Reinmetalle wie Kupfer, Titan oder Aluminium durchgef{\"u}hrt, um die grunds{\"a}tzlichen Mechanismen der Materialerm{\"u}dung an ultrafeink{\"o}rnigen Werkstoffen zu verstehen. Daten {\"u}ber Strukturwerkstoffe, wie zum Beispiel austenitische St{\"a}hle, sind aber rar. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Auswirkungen der Hochverformung auf das Erm{\"u}dungsverhalten eines austenitischen Stahles (316L) untersucht. Die Hochverformung der Proben erfolgte {\"u}ber den HPT Prozess. Durch Variation der Verformungsparameter und einer nachfolgenden Gl{\"u}hbehandlung wurden drei unterschiedliche Strukturen mit Korngr{\"o}{\ss}en von 50 nm bis 800 nm eingestellt um den Struktureinfluss dieser ultrafeink{\"o}rnigen Materialien auf die Erm{\"u}dungseigenschaften besser zu verstehen. Im Anschluss an die Hochverformung und die Probenfertigung wurden Zug- und Erm{\"u}dungsversuche an den hochverformten Zust{\"a}nden und dem Ausgangsmaterial durchgef{\"u}hrt um einen direkten Vergleich der mechanischen Eigenschaften zwischen nanokristallinem und grobk{\"o}rnigem Material zu erm{\"o}glichen. Trotz der kleinen Proben mit einer Messl{\"a}nge von nur 3 mm, konnte mit einem kleinen Dehnungsaufnehmer die Dehnung direkt an der Probenoberfl{\"a}che gemessen werden. Die Erm{\"u}dungsversuche wurden dabei in gesamtdehnungsgeregeltem (Kurzzeiterm{\"u}dung) und spannungsgeregeltem Modus durchgef{\"u}hrt. Bereits aus den Zugversuchen war ersichtlich, dass die Festigkeit der hochverformten Zust{\"a}nde um das Dreifache auf 1900 MPa erh{\"o}ht werden konnte, jedoch verminderte sich gleichzeitig auch die Duktilit{\"a}t deutlich. Die deutlich geringere Bruchdehnung ist dabei auf das fehlende Verfestigungsverhalten hochverformter Strukturen zur{\"u}ckzuf{\"u}hren. {\"A}hnliche Ergebnisse zeigen die Erm{\"u}dungsversuche, wo im LCF Bereich f{\"u}r dehnungsgeregelte Versuche eine deutlich geringere Bruchlastspielzahl der hochverformten Zust{\"a}nde ermittelt wurde. Die Dauerfestigkeit konnte mit 600 MPa gegen{\"u}ber dem grobk{\"o}rnigen Ausgangsmaterial jedoch mehr als verdoppelt werden. W{\"a}hrend in den spannungsgeregelten Versuchen f{\"u}r alle Amplituden die Lebensdauer der hochverformten Zust{\"a}nde gegen{\"u}ber dem Ausgangsmaterial deutlich erh{\"o}ht ist, h{\"a}ngt dies bei dehnungsgeregelten Versuchen stark von der H{\"o}he der Dehnungsamplitude ab. Der gr{\"o}{\ss}te Vorteil der untersuchten hochverformten Strukturen gegen{\"u}ber stark kaltverfestigten Austeniten liegt neben dem deutlich h{\"o}heren ertragbaren Spannungsniveau vor allem in der zyklischen Stabilit{\"a}t des Materials. Aus Untersuchung der Bruchfl{\"a}chen und der Oberfl{\"a}chen der Proben im Rasterelektronenmikroskop war ersichtlich, dass sowohl bei zyklischer Belastung als auch im Zugversuch bei den hochverformten Strukturen andere Sch{\"a}digungsmechanismen wirksam sind. In beiden Belastungsf{\"a}llen ist Scherbandbildung ein wesentlicher Sch{\"a}digungsmechanismus. Um zu kl{\"a}ren, welche Mechanismen zur Entstehung dieser Scherb{\"a}nder beitragen sind jedoch weitere Untersuchungen notwendig.",
keywords = "fatigue, 316L, ultrafine grained, nanocrystalline, high-pressure torsion, Hochverformung, Erm{\"u}dung, austenitischer Stahl, nanokristallin",
author = "Oliver Renk",
note = "gesperrt bis null",
year = "2011",
language = "Deutsch",
type = "Diploma Thesis",

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TY - THES

T1 - Einfluss der Hochverformung auf das Ermüdungsverhalten eines austenitischen Stahls

AU - Renk, Oliver

N1 - gesperrt bis null

PY - 2011

Y1 - 2011

N2 - Ultrafeinkörnige und nanokristalline Werkstoffe, die durch Methoden der Hochverformung hergestellt werden, stellen eine neue Klasse von Werkstoffen dar. Durch die Hochverformung können die mechanischen Eigenschaften des Ausgangsmaterials über weite Bereiche verändert werden. Das Interesse an diesen neuartigen Materialien zeigt auch der steigende Anteil an Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet. Größere Probenabmessungen ermöglichen die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften wie Zähigkeit oder Ermüdungsverhalten. Für potentielle Anwendungen, beispielsweise für medizinische Implantate, sind gerade die Ermüdungseigenschaften von großer Relevanz. In den letzten Jahren wurden vor allem Studien über das Ermüdungsverhalten ultrafeinkörniger Reinmetalle wie Kupfer, Titan oder Aluminium durchgeführt, um die grundsätzlichen Mechanismen der Materialermüdung an ultrafeinkörnigen Werkstoffen zu verstehen. Daten über Strukturwerkstoffe, wie zum Beispiel austenitische Stähle, sind aber rar. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Auswirkungen der Hochverformung auf das Ermüdungsverhalten eines austenitischen Stahles (316L) untersucht. Die Hochverformung der Proben erfolgte über den HPT Prozess. Durch Variation der Verformungsparameter und einer nachfolgenden Glühbehandlung wurden drei unterschiedliche Strukturen mit Korngrößen von 50 nm bis 800 nm eingestellt um den Struktureinfluss dieser ultrafeinkörnigen Materialien auf die Ermüdungseigenschaften besser zu verstehen. Im Anschluss an die Hochverformung und die Probenfertigung wurden Zug- und Ermüdungsversuche an den hochverformten Zuständen und dem Ausgangsmaterial durchgeführt um einen direkten Vergleich der mechanischen Eigenschaften zwischen nanokristallinem und grobkörnigem Material zu ermöglichen. Trotz der kleinen Proben mit einer Messlänge von nur 3 mm, konnte mit einem kleinen Dehnungsaufnehmer die Dehnung direkt an der Probenoberfläche gemessen werden. Die Ermüdungsversuche wurden dabei in gesamtdehnungsgeregeltem (Kurzzeitermüdung) und spannungsgeregeltem Modus durchgeführt. Bereits aus den Zugversuchen war ersichtlich, dass die Festigkeit der hochverformten Zustände um das Dreifache auf 1900 MPa erhöht werden konnte, jedoch verminderte sich gleichzeitig auch die Duktilität deutlich. Die deutlich geringere Bruchdehnung ist dabei auf das fehlende Verfestigungsverhalten hochverformter Strukturen zurückzuführen. Ähnliche Ergebnisse zeigen die Ermüdungsversuche, wo im LCF Bereich für dehnungsgeregelte Versuche eine deutlich geringere Bruchlastspielzahl der hochverformten Zustände ermittelt wurde. Die Dauerfestigkeit konnte mit 600 MPa gegenüber dem grobkörnigen Ausgangsmaterial jedoch mehr als verdoppelt werden. Während in den spannungsgeregelten Versuchen für alle Amplituden die Lebensdauer der hochverformten Zustände gegenüber dem Ausgangsmaterial deutlich erhöht ist, hängt dies bei dehnungsgeregelten Versuchen stark von der Höhe der Dehnungsamplitude ab. Der größte Vorteil der untersuchten hochverformten Strukturen gegenüber stark kaltverfestigten Austeniten liegt neben dem deutlich höheren ertragbaren Spannungsniveau vor allem in der zyklischen Stabilität des Materials. Aus Untersuchung der Bruchflächen und der Oberflächen der Proben im Rasterelektronenmikroskop war ersichtlich, dass sowohl bei zyklischer Belastung als auch im Zugversuch bei den hochverformten Strukturen andere Schädigungsmechanismen wirksam sind. In beiden Belastungsfällen ist Scherbandbildung ein wesentlicher Schädigungsmechanismus. Um zu klären, welche Mechanismen zur Entstehung dieser Scherbänder beitragen sind jedoch weitere Untersuchungen notwendig.

AB - Ultrafeinkörnige und nanokristalline Werkstoffe, die durch Methoden der Hochverformung hergestellt werden, stellen eine neue Klasse von Werkstoffen dar. Durch die Hochverformung können die mechanischen Eigenschaften des Ausgangsmaterials über weite Bereiche verändert werden. Das Interesse an diesen neuartigen Materialien zeigt auch der steigende Anteil an Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet. Größere Probenabmessungen ermöglichen die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften wie Zähigkeit oder Ermüdungsverhalten. Für potentielle Anwendungen, beispielsweise für medizinische Implantate, sind gerade die Ermüdungseigenschaften von großer Relevanz. In den letzten Jahren wurden vor allem Studien über das Ermüdungsverhalten ultrafeinkörniger Reinmetalle wie Kupfer, Titan oder Aluminium durchgeführt, um die grundsätzlichen Mechanismen der Materialermüdung an ultrafeinkörnigen Werkstoffen zu verstehen. Daten über Strukturwerkstoffe, wie zum Beispiel austenitische Stähle, sind aber rar. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Auswirkungen der Hochverformung auf das Ermüdungsverhalten eines austenitischen Stahles (316L) untersucht. Die Hochverformung der Proben erfolgte über den HPT Prozess. Durch Variation der Verformungsparameter und einer nachfolgenden Glühbehandlung wurden drei unterschiedliche Strukturen mit Korngrößen von 50 nm bis 800 nm eingestellt um den Struktureinfluss dieser ultrafeinkörnigen Materialien auf die Ermüdungseigenschaften besser zu verstehen. Im Anschluss an die Hochverformung und die Probenfertigung wurden Zug- und Ermüdungsversuche an den hochverformten Zuständen und dem Ausgangsmaterial durchgeführt um einen direkten Vergleich der mechanischen Eigenschaften zwischen nanokristallinem und grobkörnigem Material zu ermöglichen. Trotz der kleinen Proben mit einer Messlänge von nur 3 mm, konnte mit einem kleinen Dehnungsaufnehmer die Dehnung direkt an der Probenoberfläche gemessen werden. Die Ermüdungsversuche wurden dabei in gesamtdehnungsgeregeltem (Kurzzeitermüdung) und spannungsgeregeltem Modus durchgeführt. Bereits aus den Zugversuchen war ersichtlich, dass die Festigkeit der hochverformten Zustände um das Dreifache auf 1900 MPa erhöht werden konnte, jedoch verminderte sich gleichzeitig auch die Duktilität deutlich. Die deutlich geringere Bruchdehnung ist dabei auf das fehlende Verfestigungsverhalten hochverformter Strukturen zurückzuführen. Ähnliche Ergebnisse zeigen die Ermüdungsversuche, wo im LCF Bereich für dehnungsgeregelte Versuche eine deutlich geringere Bruchlastspielzahl der hochverformten Zustände ermittelt wurde. Die Dauerfestigkeit konnte mit 600 MPa gegenüber dem grobkörnigen Ausgangsmaterial jedoch mehr als verdoppelt werden. Während in den spannungsgeregelten Versuchen für alle Amplituden die Lebensdauer der hochverformten Zustände gegenüber dem Ausgangsmaterial deutlich erhöht ist, hängt dies bei dehnungsgeregelten Versuchen stark von der Höhe der Dehnungsamplitude ab. Der größte Vorteil der untersuchten hochverformten Strukturen gegenüber stark kaltverfestigten Austeniten liegt neben dem deutlich höheren ertragbaren Spannungsniveau vor allem in der zyklischen Stabilität des Materials. Aus Untersuchung der Bruchflächen und der Oberflächen der Proben im Rasterelektronenmikroskop war ersichtlich, dass sowohl bei zyklischer Belastung als auch im Zugversuch bei den hochverformten Strukturen andere Schädigungsmechanismen wirksam sind. In beiden Belastungsfällen ist Scherbandbildung ein wesentlicher Schädigungsmechanismus. Um zu klären, welche Mechanismen zur Entstehung dieser Scherbänder beitragen sind jedoch weitere Untersuchungen notwendig.

KW - fatigue

KW - 316L

KW - ultrafine grained

KW - nanocrystalline

KW - high-pressure torsion

KW - Hochverformung

KW - Ermüdung

KW - austenitischer Stahl

KW - nanokristallin

M3 - Diplomarbeit

ER -