Fatigue crack growth of nanocrystalline and ultrafine-grained metals processed by severe plastic deformation

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Ultafeinkörnige (UFG) und nanokristalline (NC) Metalle zeigen außergewöhnliche mechanische Eigenschaften, wie zum Beispiel eine sehr hohe Fließspannung und eine verbesserte Dauerfestigkeit. Für die technische Anwendbarkeit dieser Materialien ist es jedoch notwendig, ihr Bruchverhalten bei quasistatischer und zyklischer Belastung zu untersuchen. Die vorliegende Dissertation behandelt das Ermüdungsrisswachstumsverhalten von UFG und NC Metallen, die durch Hochverformung hergestellt wurden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss der Hochverformung und der resultierenden Kornfeinung auf das Ermüdungsrissfortschrittsverhalten zu analysieren. Im Rahmen der Dissertation wurden unterschiedliche Metalle - von Reinmetallen (Eisen und Nickel) bis hin zu industriell verwendeten Legierungen (austenitischer Stahl, perlitischer Stahl und eine Formgedächtnislegierung) - mit Hilfe von „High Pressure Torsion“ und „Equal Channel Angular Pressing“ hochverformt, um UFG und NC Mikrostrukturen einzustellen. Anschließend wurden Ermüdungsrissfortschrittsversuche an diesen Materialien im unverformten und hochverformten Zustand durchgeführt. Die Untersuchung der Anisotropie des Rissfortschrittverhaltens erfolgte anhand von Proben mit unterschiedlichen Rissorientierungen hinsichtlich des Herstellprozesses. Außerdem wurden die Bruchflächen der Proben analysiert um Informationen über die zugrundeliegenden Mechanismen zu erhalten. Die schlechteren Ermüdungsrisseigenschaften von UFG und NC Metallen, von denen in vielen Publikationen berichtet wird, sind eine Folge der reduzierten Beiträge von Rissschließmechanismen. Interkristallines Risswachstum, das typisch für das Versagen von hochverformten Materialien unter zyklischer Last ist, hat einen niedrigeren Rissausbreitungswiderstand als transkristallines Risswachstum. Bei hohen Mittellasten, wo Rissschließen nur eine untergeordnete Rolle spielt, kann Hochverformung jedoch den intrinsischen Widerstand gegen Rissausbreitung erhöhen, wodurch niedrigere Rissfortschrittsraten erreicht werden. Diese Verbesserung des Risswiderstands resultiert aus der Festigkeitssteigerung des verformten Materials, ist aber nur zu beobachten wenn sich der Bruchmodus durch die Kornfeinung nicht ändert. Versetzungsmuster auf der Bruchfläche, sowie Abschätzungen der Rissfortschrittsrate mittels Deformations-basierenden Modellen weisen darauf hin, dass in den untersuchten Materialien Rissfortschritt durch einen Blunting und Re-sharpening Prozess entlang der Korngrenzen erfolgt (Abstumpfung der Rissspitze unter Belastung und erneutes Zuspitzen bei Entlastung, verbunden mit Rissverlängerung). Außerdem zeigen die Ergebnisse, dass das anisotrope Rissfortschrittsverhalten auf die langestreckte Kornform der hochverformten Metalle zurückzuführen ist. Risswachstum normal zur langen Achse der Körner zeigt einen deutlich höheren Rissausbreitungswiderstand, als parallel dazu. Diese Eigenschaft kann ausgenützt werden um die Ausbreitung von Rissen zusätzlich zu erschweren, indem die Ausrichtung des Materials an die spätere Anwendung angepasst wird.

Details

Titel in ÜbersetzungErmüdungsrisswachstum in hochverformten nanokristallinen und ultrafeinkörnigen Metallen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Clemens, Helmut, Beurteiler B (intern)
  • Pippan, Reinhard, Beurteiler A (intern)
StatusVeröffentlicht - 2017