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 -