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T1 - Untersuchung des Gefügeeinflusses auf die mechanischen Eigenschaften und Rollkontaktermüdung von AISI M50 (80MoCrV42-16) Kugellagerstahl

AU - Pritz, Lukas Harald

N1 - gesperrt bis 27-11-2022

PY - 2018

Y1 - 2018

N2 - Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung des Gefügeaufbaus, der mechanischen Eigenschaften sowie der Rollkontaktermüdung des Lagerstahles AISI M50 (80MoCrV42-16). Dieser durchhärtende Stahl mit MC- und M2C-Karbiden ist derzeit der meisteingesetzte Stahl für Kugellager in Flugtriebwerken. Ziel war es, den Zusammenhang zwischen Materialparametern und der im Betrieb von Flugtriebwerken auf Grund der zyklischen Belastung auftretenden Überrollerrmüdung zu untersuchen, die Pittingentwicklung und die sich ausbildenden Schädigungsphänomene zu charakterisieren und daraus Optimierungspotentiale hinsichtlich der Mikrostruktur abzuleiten, die eine Verbesserung der Überrolleigenschaften ermöglichen. Es wurden metallographische Untersuchungen mittels LIMI, REM mit EDX und EBSD, TEM, XRD sowie Mikrosonde durchgeführt und mechanischen Kennwerte mittels Zug-, Stauch-, Bruchzähigkeits- sowie LCF-Versuchen ermittelt. Hier konnten geringfügige Unterschiede hinsichtlich Gehalt und Typ von nichtmetallischen Einschlüssen, in der Seigerungsstruktur sowie dem Aufbau und der Größenverteilung der Karbide gefunden werden, welche jedoch nicht zu Unterschieden in den klassischen mechanischen Eigenschaften führen. Ebenso wurde eine Vielzahl von Überrollermüdungsversuchen am Ball-on-Rod-Prüfstand sowohl bis zum Erreichen von Pitting aber auch bis zu einer definierten Überrolldauer gefahren. Aus Ersterem konnte ein Ranking der Lebensdauern erstellt werden, aus Zweiterem wurden mittels verschiedener metallographischen Verfahren die Schädigungsinitiierung und der -verlauf beschrieben. Hierbei wurden die globalen Effekte, sogenannte „White-Etching-Areas“ in bestimmter Tiefe unter der Laufspur, und lokale um Gefügeinhomogenitäten ausgebildete „Butterfly-Wings“ eingehend auf deren mikrostrukturellen Aufbau untersucht. Bei „White-Etching-Areas“ handelt es sich um einen Bereich mit starker zyklischer Dehnung in einer von Belastungshöhe und Geometrie abhängigen Tiefe, wo durch die zyklische Plastifizierung eine Rekristallisation stattfindet und welche teilweise zum Anstieg der Härte führt. „Butterfly-Wings“ sind abgegrenzte Zonen mit Korngrößen im Nanometer-Bereich, in welchen teilweise Mikrorisse an den Grenzflächen zur Matrix vorliegen. Auch hier findet eine Rekristallisation auf Grund der zyklischen Plastifizierung statt, wobei bei dem hochreinen M50 Stahl hauptsächlich Karbide bzw. Karbidagglomerate als Initiatoren für die Dehnungsakkumulation wirken. Schlussendlich erfolgte ein Vergleich der Ergebnisse aus dem Ball-on-Rod-Prüfstand mit denen aus aufwändigeren Lagerprüfstandstests, bei denen Flächenpressung geringer als bei den Ball-on-Rod Versuchen ist. Hierbei zeigte sich, dass trotz anderer Belastungssituation sehr ähnliche Schädigungsphänomene zu erkennen sind. Als Initiatoren für Pitting dürften bei diesem hochreinen Werkstoff viel wahrscheinlicher Karbide bzw. Karbidagglomerate anstelle von nichtmetallischen Einschlüssen wirken.

AB - Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung des Gefügeaufbaus, der mechanischen Eigenschaften sowie der Rollkontaktermüdung des Lagerstahles AISI M50 (80MoCrV42-16). Dieser durchhärtende Stahl mit MC- und M2C-Karbiden ist derzeit der meisteingesetzte Stahl für Kugellager in Flugtriebwerken. Ziel war es, den Zusammenhang zwischen Materialparametern und der im Betrieb von Flugtriebwerken auf Grund der zyklischen Belastung auftretenden Überrollerrmüdung zu untersuchen, die Pittingentwicklung und die sich ausbildenden Schädigungsphänomene zu charakterisieren und daraus Optimierungspotentiale hinsichtlich der Mikrostruktur abzuleiten, die eine Verbesserung der Überrolleigenschaften ermöglichen. Es wurden metallographische Untersuchungen mittels LIMI, REM mit EDX und EBSD, TEM, XRD sowie Mikrosonde durchgeführt und mechanischen Kennwerte mittels Zug-, Stauch-, Bruchzähigkeits- sowie LCF-Versuchen ermittelt. Hier konnten geringfügige Unterschiede hinsichtlich Gehalt und Typ von nichtmetallischen Einschlüssen, in der Seigerungsstruktur sowie dem Aufbau und der Größenverteilung der Karbide gefunden werden, welche jedoch nicht zu Unterschieden in den klassischen mechanischen Eigenschaften führen. Ebenso wurde eine Vielzahl von Überrollermüdungsversuchen am Ball-on-Rod-Prüfstand sowohl bis zum Erreichen von Pitting aber auch bis zu einer definierten Überrolldauer gefahren. Aus Ersterem konnte ein Ranking der Lebensdauern erstellt werden, aus Zweiterem wurden mittels verschiedener metallographischen Verfahren die Schädigungsinitiierung und der -verlauf beschrieben. Hierbei wurden die globalen Effekte, sogenannte „White-Etching-Areas“ in bestimmter Tiefe unter der Laufspur, und lokale um Gefügeinhomogenitäten ausgebildete „Butterfly-Wings“ eingehend auf deren mikrostrukturellen Aufbau untersucht. Bei „White-Etching-Areas“ handelt es sich um einen Bereich mit starker zyklischer Dehnung in einer von Belastungshöhe und Geometrie abhängigen Tiefe, wo durch die zyklische Plastifizierung eine Rekristallisation stattfindet und welche teilweise zum Anstieg der Härte führt. „Butterfly-Wings“ sind abgegrenzte Zonen mit Korngrößen im Nanometer-Bereich, in welchen teilweise Mikrorisse an den Grenzflächen zur Matrix vorliegen. Auch hier findet eine Rekristallisation auf Grund der zyklischen Plastifizierung statt, wobei bei dem hochreinen M50 Stahl hauptsächlich Karbide bzw. Karbidagglomerate als Initiatoren für die Dehnungsakkumulation wirken. Schlussendlich erfolgte ein Vergleich der Ergebnisse aus dem Ball-on-Rod-Prüfstand mit denen aus aufwändigeren Lagerprüfstandstests, bei denen Flächenpressung geringer als bei den Ball-on-Rod Versuchen ist. Hierbei zeigte sich, dass trotz anderer Belastungssituation sehr ähnliche Schädigungsphänomene zu erkennen sind. Als Initiatoren für Pitting dürften bei diesem hochreinen Werkstoff viel wahrscheinlicher Karbide bzw. Karbidagglomerate anstelle von nichtmetallischen Einschlüssen wirken.

KW - M50

KW - Überrollermüdung

KW - Rolling Contact Fatigue

KW - RCF

KW - Kugellagerstahl

KW - White Etching Area

KW - WEA

KW - Butterfly-Wing

KW - Ball-on-Rod

KW - M50

KW - rolling contact fatigue

KW - RCF

KW - bearing steel

KW - white etching area

KW - WEA

KW - butterfly-wing

KW - Ball-on-Rod

KW - BoR

M3 - Dissertation

ER -