TY - THES

T1 - Thermische Ermüdung eines CrN - Stahl - Schichtverbundes charakterisiert mit Synchrotronstrahlung

AU - Kirchlechner, Christoph

N1 - gesperrt bis null

PY - 2007

Y1 - 2007

N2 - Hartstoffschichten werden oftmals einer zyklisch-thermischen Wechselbeanspruchung unterworfen, welche insbesondere im Falle von Druckgusswerkzeugen zu Rissen und damit zu einem Werkstoffversagen führt. Die Mechanismen der dabei stattfindenden thermischen Ermüdung sind bis dato weder vollständig verstanden, noch experimentell untersucht. Dabei ist insbesondere die Änderung der in Schicht und Substrat immanenten Spannungen von Interesse sind doch Zugspannungen für das Entstehen von Rissen hauptverantwortlich. Mit Hilfe eines Hochleistungslasers wurden reale Schichtsysteme zyklisch-thermisch beansprucht und anschließend mit modernen Methoden der Röntgenbeugung sowie mit REM und Nanoindentierung charakterisiert. Neben der Beschreibung der Spannungsänderung als Funktion von Temperatur und Lastspielzahl, welche vor allem aus materialwissenschaftlicher Sicht von Interesse ist, ist vor allem auch die ortsaufgelöste, dreidimensionale Charakterisierung der Spannungen im Laserspot einzigartig. Die hierfür notwendigen Experimente wurden an der EDDI-Beamline (BESSY, Berlin) und an der G3-Beamline (Hasylab, Hamburg) durchgeführt. Mit Hilfe mehrerer in-situ Thermozyklen, welche insbesondere zur Charakterisierung der Ausheilmechanismen der Schichtdefekte dienen, wurden erstmals Hochtemperaturspannungen in realen Schichtsystemen gemessen und präsentiert. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass bei zyklisch-thermischer Beanspruchung eines CrN / Stahl (W300) Schichtverbundes nicht die Schicht für das Versagen des Verbundes verantwortlich ist, sondern viel mehr die Schicht das Substrat schützt und so zu einer deutlichen Verlängerung der Lebensdauer beitragen kann. Weiters können mit Hilfe der dreidimensionalen Spannungsverteilung im Laserspot bestehende Materialmodelle der Simulation verbessert werden. Die in-situ Thermozyklen zeigen zum Einen, dass die Relaxation der Schichtspannungen unabhängig vom darunter liegenden Substrat ist, zum Anderen lassen sie die Präsenz von zwei verschiedenen Defektpopulationen oder Ausheilmechanismen vermuten. Abgerundet wird die Arbeit mit Gestaltungs- und Bearbeitungsrichtlinien für zyklisch-thermisch beanspruchte Bauteile, die auf Basis der vorliegenden Arbeit definiert werden konnten.

AB - Hartstoffschichten werden oftmals einer zyklisch-thermischen Wechselbeanspruchung unterworfen, welche insbesondere im Falle von Druckgusswerkzeugen zu Rissen und damit zu einem Werkstoffversagen führt. Die Mechanismen der dabei stattfindenden thermischen Ermüdung sind bis dato weder vollständig verstanden, noch experimentell untersucht. Dabei ist insbesondere die Änderung der in Schicht und Substrat immanenten Spannungen von Interesse sind doch Zugspannungen für das Entstehen von Rissen hauptverantwortlich. Mit Hilfe eines Hochleistungslasers wurden reale Schichtsysteme zyklisch-thermisch beansprucht und anschließend mit modernen Methoden der Röntgenbeugung sowie mit REM und Nanoindentierung charakterisiert. Neben der Beschreibung der Spannungsänderung als Funktion von Temperatur und Lastspielzahl, welche vor allem aus materialwissenschaftlicher Sicht von Interesse ist, ist vor allem auch die ortsaufgelöste, dreidimensionale Charakterisierung der Spannungen im Laserspot einzigartig. Die hierfür notwendigen Experimente wurden an der EDDI-Beamline (BESSY, Berlin) und an der G3-Beamline (Hasylab, Hamburg) durchgeführt. Mit Hilfe mehrerer in-situ Thermozyklen, welche insbesondere zur Charakterisierung der Ausheilmechanismen der Schichtdefekte dienen, wurden erstmals Hochtemperaturspannungen in realen Schichtsystemen gemessen und präsentiert. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass bei zyklisch-thermischer Beanspruchung eines CrN / Stahl (W300) Schichtverbundes nicht die Schicht für das Versagen des Verbundes verantwortlich ist, sondern viel mehr die Schicht das Substrat schützt und so zu einer deutlichen Verlängerung der Lebensdauer beitragen kann. Weiters können mit Hilfe der dreidimensionalen Spannungsverteilung im Laserspot bestehende Materialmodelle der Simulation verbessert werden. Die in-situ Thermozyklen zeigen zum Einen, dass die Relaxation der Schichtspannungen unabhängig vom darunter liegenden Substrat ist, zum Anderen lassen sie die Präsenz von zwei verschiedenen Defektpopulationen oder Ausheilmechanismen vermuten. Abgerundet wird die Arbeit mit Gestaltungs- und Bearbeitungsrichtlinien für zyklisch-thermisch beanspruchte Bauteile, die auf Basis der vorliegenden Arbeit definiert werden konnten.

KW - CrN Schicht thermische Ermüdung Röntgendiffraktion Spannungsmessung

KW - CrN coating Stresses thermal fatigue XRD

M3 - Diplomarbeit

ER -