TY - BOOK

T1 - Charakterisierung des Verhaltens von Kanten aus hochfestem Werkzeugstahl unter zyklischer Belastung

AU - Gruber, Peter Josef

N1 - nicht gesperrt

PY - 2010

Y1 - 2010

N2 - Ziel dieser Arbeit war es, ein detailliertes Verständnis der Belastungsbedingungen und Schädigungsentwicklung an der Kante eines Schneidwerkzeuges zu entwickeln. Dafür wurde ein kombinierter experimenteller und numerischer Ansatz gewählt. Im Rahmen dieser Arbeit ist ein zyklischer Kantenstauchversuch entwickelt worden, um das Materialverhalten unter ähnlichen Belastungsbedingungen zu untersuchen, wie sie in Schneidwerkzeugen auftreten. Der zyklische Kantenstauchversuch erlaubt nun die Untersuchung der Schädigungsentwicklung einer Schneidkante im Labor. Eine speziell entwickelte Prozedur mit einer geteilten Probe ermöglicht außerdem die Erfassung der lokalen plastischen Verformungen und der Schädigungsentwicklung bei zyklisch belasteten Kanten, nicht nur an der freien Oberfläche, sondern auch im Materialinneren. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei unterschiedliche hochfeste Werkzeugstähle untersucht; zum einen der konventionell nach dem Elektroschlacke-Umschmelzverfahren produzierte Kaltarbeitsstahl K340 ISODUR und zum anderen der pulvermetallurgisch hergestellter Schnellarbeitsstahl S390 MICROCLEAN. Die beiden Stähle unterscheiden sich in der Karbidart, der Karbidform, und im Primärkarbidgehalt. Durch zyklische Plastifizierung entsteht eine stark geschädigte Region entlang der Mantelfläche der Probe. Die kritische Zone für die Schädigungsentwicklung ist eine Region an der Mantelfläche in der Nähe des Übergangs des plastisch zur elastisch verformten Bereich. Der Unterschied in der Mikrostruktur der beiden untersuchten Werkstoffe hat auch Auswirkungen auf die Rissinitierung: Beim K340 ISODUR brechen im plastisch verformten Bereich die großen Karbide meist schon beim ersten Belasten, und zwar aufgrund der Querdehnung längs zur Belastungsrichtung. Beim S390 MICROCLEAN brechen in der kritischen Zone einige kleine Karbide bei der ersten Entlastung. Aufgrund einer Kombination der inhomogenen plastischen Verformung und der lokalen Materialinhomogenitäten, wachsen bei beiden Materialien die Risse in der kritischen Zone ins Materialinnere. Die Finite Elemente Simulationen des zyklischen Kantenstauchversuches zeigen, dass in dieser kritischen Zone sowohl die höchste Spannungsdifferenz zwischen dem belasteten und dem vollständig entlasteten Zustand als auch die höchsten Zugeigenspannungen auftreten. Mit dem neu entwickelten Kantenstauchversuch können nun die Versagensmechanismen von Werkzeugstählen unter inhomogenen, zyklischen Druckbelastungen, wie sie bei Schneidwerkzeugen auftreten, systematisch untersucht werden.

AB - Ziel dieser Arbeit war es, ein detailliertes Verständnis der Belastungsbedingungen und Schädigungsentwicklung an der Kante eines Schneidwerkzeuges zu entwickeln. Dafür wurde ein kombinierter experimenteller und numerischer Ansatz gewählt. Im Rahmen dieser Arbeit ist ein zyklischer Kantenstauchversuch entwickelt worden, um das Materialverhalten unter ähnlichen Belastungsbedingungen zu untersuchen, wie sie in Schneidwerkzeugen auftreten. Der zyklische Kantenstauchversuch erlaubt nun die Untersuchung der Schädigungsentwicklung einer Schneidkante im Labor. Eine speziell entwickelte Prozedur mit einer geteilten Probe ermöglicht außerdem die Erfassung der lokalen plastischen Verformungen und der Schädigungsentwicklung bei zyklisch belasteten Kanten, nicht nur an der freien Oberfläche, sondern auch im Materialinneren. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei unterschiedliche hochfeste Werkzeugstähle untersucht; zum einen der konventionell nach dem Elektroschlacke-Umschmelzverfahren produzierte Kaltarbeitsstahl K340 ISODUR und zum anderen der pulvermetallurgisch hergestellter Schnellarbeitsstahl S390 MICROCLEAN. Die beiden Stähle unterscheiden sich in der Karbidart, der Karbidform, und im Primärkarbidgehalt. Durch zyklische Plastifizierung entsteht eine stark geschädigte Region entlang der Mantelfläche der Probe. Die kritische Zone für die Schädigungsentwicklung ist eine Region an der Mantelfläche in der Nähe des Übergangs des plastisch zur elastisch verformten Bereich. Der Unterschied in der Mikrostruktur der beiden untersuchten Werkstoffe hat auch Auswirkungen auf die Rissinitierung: Beim K340 ISODUR brechen im plastisch verformten Bereich die großen Karbide meist schon beim ersten Belasten, und zwar aufgrund der Querdehnung längs zur Belastungsrichtung. Beim S390 MICROCLEAN brechen in der kritischen Zone einige kleine Karbide bei der ersten Entlastung. Aufgrund einer Kombination der inhomogenen plastischen Verformung und der lokalen Materialinhomogenitäten, wachsen bei beiden Materialien die Risse in der kritischen Zone ins Materialinnere. Die Finite Elemente Simulationen des zyklischen Kantenstauchversuches zeigen, dass in dieser kritischen Zone sowohl die höchste Spannungsdifferenz zwischen dem belasteten und dem vollständig entlasteten Zustand als auch die höchsten Zugeigenspannungen auftreten. Mit dem neu entwickelten Kantenstauchversuch können nun die Versagensmechanismen von Werkzeugstählen unter inhomogenen, zyklischen Druckbelastungen, wie sie bei Schneidwerkzeugen auftreten, systematisch untersucht werden.

KW - high-strength tool steels

KW - cyclic compressive load

KW - cutting tools

KW - cutting edge

KW - local deformation behavior

KW - damage evolution

KW - finite element simulations

KW - Hochfester Werkzeugstahl

KW - Schneidwerkzeuge

KW - Schneidkante

KW - zyklischer Kantenstauchversuch

KW - zyklische Druckbelastung

KW - lokales Verformungsverhalten

KW - Schädigungsentwicklung

KW - Finite Elemente Simulation

M3 - Dissertation

ER -