Steel laminates with highly improved fracture toughness

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Organisationseinheiten

Abstract

Das Ziel dieser Dissertation war die Herstellung und Erprobung inhomogener Schichtverbunde auf Stahlbasis, die einen hohen Bruchwiderstand aufweisen. Diese Laminate nützen den zähigkeitssteigernden Materialinhomogenitätseffekt aus. Dieser Effekt tritt unabhängig von anderen Mechanismen wie etwa Delamination auf und wird durch eine Inhomogenität von E-Modul und/oder Streckgrenze vor einem Riss hervorgerufen. Der grundlegende Effekt ist dabei die starke Abschwächung der risstreibenden Kraft, wenn der Riss von einem weicheren oder nachgiebigeren Material in Richtung eines festeren oder steiferen Materials wächst. Dies ist als der „shielding“-Effekt der Materialinhomogenität bekannt. In dieser Dissertation wurde ein Schmiedeprozess verwendet, um mehrlagige Schichtverbundwerkstoffe auf Stahlbasis mit ausgezeichneter Interfacefestigkeit herzustellen. Dabei wurden die Kaltarbeitsstähle X210CrW12 und C45 als Matrixwerkstoffe, sowie der weiche Tiefziehstahl DC04 als Zwischenlagenwerkstoff verwendet. Eine empirische Formel wurde entwickelt, um die aus dem Schmiedeprozess resultierenden lokalen Umformgrade und damit die finale Verbundgeometrie abzuschätzen. Es wurden sowohl Verbundwerkstoffe mit variierender Anzahl und Dicke der Zwischenschichten, als auch Referenzproben aus Matrixmaterial hergestellt. Die Verbesserung der Bruchzähigkeit durch den Einbau von weichen Schichten aus Tiefziehstahl wurde in Bruchmechanikversuchen ermittelt. Die Referenzproben, welche nur ein Matrix/Matrix Interface aufwiesen, brachen katastrophal beim Erreichen eines kritischen Wertes des J-Integrals für die Matrix, J_c^M. In Proben mit einer oder mehreren Zwischenlagen initiierte Risswachstum ebenfalls bei J_c^M, jedoch wurden die wachsenden Risse in diesen Zwischenlagen gestoppt. Um das Komplettversagen der Verbunde hervorzurufen, musste die Belastung auf einen kritischen Wert für den jeweiligen Verbundwerkstoff J_c^ML erhöht werden. Das Verhältnis J_c^ML/J_c^M ist ein Maß für die Effektivität der Zwischenlagen als Riss-Stopper. In X210CrW12/DC04 Schichtverbunden ist dieses Verhältnis abhängig von der Dicke der Zwischenschicht. Bei dünnen Zwischenschichten ist J_c^ML/J_c^M in der Größenordnung 3-5, bei dickeren Zwischenschichten ist dieser Wert noch höher. Numerische Berechnungen können J_c^ML/J_c^M prognostizieren, sofern der Materialinhomogenitätseffekt und thermische Eigenspannungen berücksichtigt werden. In C45/DC04 Verbunden wurde der durch die Zwischenlage gestoppte Riss bei weiterer Belastung durch beginnende Delamination komplett wirkungslos. Der verbleibende Probenquerschnitt verhält sich dann wie eine Zugprobe und versagt erst durch Erreichen der plastischen Grenzlast. Im Vergleich zu X210CrW12/DC04 Schichtverbunden ist die Verbesserung J_c^ML/J_c^M viel größer und erreicht beinahe einen Faktor 300. In dieser Arbeit wurde die signifikante Verbesserung der Bruchzähigkeit durch den Materialinhomogenitätseffekt demonstriert. Ein interessanter Aspekt der Bruchmechanikexperimente war der spaltflächige Bruch der Zwischenlagen. Trotz dieses spröden Bruchmodus wurden die laufenden Risse effektiv gestoppt.

Details

Titel in ÜbersetzungStahl-Schichtverbunde mit stark verbesserter Bruchzähigkeit
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2018