Materialermüdung

Im Gegensatz zur Rissinitiierung und Langrissausbreitung ist die Ausbreitung mikrostrukturell kurzer Risse in martensitischen Federstählen noch weitgehend unerforscht. Entsprechend liegen auch keine Erkenntnisse zum Einfluss der im Bauteil auftretenden Eigenspannungen auf diese Phase der Werkstoffschädigung vor. Damit ist die technische Anrissphase, welche im HCF-Bereich mehr als 90% der Lebensdauer ausmachen kann, noch nicht modellhaft beschrieben worden und entzieht sich damit dem allgemeinen Verständnis. Das Vorhaben zielt darauf ab, die Mechanismen der Werkstoffschädigung martensitischer Federstähle durch Kurzrisswachstum im Detail aufzuklären und eine materialwissenschaftlich begründete Nachbildung des Wachstumsverhaltens von Ermüdungskurzrissen im Rahmen einer mechanismenorientierten Modellierung auf Basis der Randelementemethode zu erarbeiten. So wird eine Grundlage für das Verständnis der metallphysikalischen Vorgänge in eigenspannungsbehafteten, martensitischen Federstählen unter zyklischer Beanspruchung mit uniaxialen sowie biaxialen, ebenen Spannungszuständen im HCF-Bereich geschaffen. Auf Basis dieser Ergebnisse soll eine bessere Lebensdauervorhersage für martensitische Federstähle ermöglicht werden, was eine anwendungsorientierte Absicherung der Betriebssicherheit und eine höhere Werkstoffausnutzung erlaubt.

Die Entwicklung der Ermüdungsschädigung in metallischen Werkstoffen kann im Stadium vor dem Vorliegen eines Risses bisher nur mit zeitaufwendigen und meist zerstörenden Verfahren bestimmt werden. Eine Charakterisierung der vorliegenden Mikrostruktur im Hinblick auf Versetzungsanordnungen würde aber eine Voraussage der restlichen Lebensdauer unterstützen. In dem vorgestellten Projekt wird deswegen ein Ansatz verfolgt, der mithilfe Laue-Beugung die mikrostrukturellen Änderungen zerstörungsfrei innerhalb kürzester Zeit ermitteln kann. Dazu wird weißes Röntgenlicht und ein energiedispersiver Flächendetektor verwendet, wodurch eine orts- und energieaufgelöste Messung möglich ist. Die Verbreiterung der gemessenen Röntgenreflexe korreliert direkt mit der Versetzungsdichte des Werkstoffs und somit auch mit der vorhandenen Ermüdungsbeanspruchung.

Es ist bekannt, dass die Versagensmechanismen bei HCF und VHCF völlig unterschiedlich sind. HCF wird durch PGB-induzierte Risskeimbildung von der Oberfläche aus dominiert. Das VHCF-Verhalten wird strikt durch den Materialzustand bestimmt. Einphasige (fcc) duktile Werkstoffe werden als Typ-I klassifiziert, bei denen die Rissbildung hauptsächlich von der Oberfläche ausgeht, da die Oberfläche durch irreversible Gleitprozesse aufgeraut wird. Dies ist der Fall, wenn die makroskopische Spannung weit unter der klassischen Ermüdungsgrenze liegt und die Rissentstehung durch Bildung eines Persistenten Gleitbandes oder PGB (Dehnungslokalisierung) nicht möglich ist. Andererseits wird die Rissentstehung unterhalb der Oberfläche hauptsächlich durch das Vorhandensein von nichtmetallischen Einschlüssen im Material bestimmt, die als Typ-II klassifiziert werden (meist hochfeste Stähle).

Vor diesem Hintergrund ist geplant, das VHCF-Verhalten von austenitischem nichtrostendem Stahl des Typs 304 (der üblicherweise als Konstruktionswerkstoff in Bauteilen verwendet wird) unter zwei Bedingungen zu untersuchen: i) im geglühten Zustand, in dem sich das Material wie Typ-I verhält, wobei das Versagen durch von der Oberfläche ausgehende Risse ausgelöst wird, und ii) im vorverformten Zustand, in dem dehnungsinduzierter Martensit in das Material eingebracht wird, der die Kerbempfindlichkeit im Inneren des Materials bei VHCF-Zyklen erhöhen kann, wodurch die interne Rissauslösung erleichtert wird (Typ-II-Verhalten). Die Untersuchung wird dazu beitragen, den unterschiedlichen Versagensmechanismus für die verschiedenen Materialbedingungen zu verstehen und die konventionelle Auslegungskurve im Lichte der vorliegenden Prüfdaten neu zu erstellen. Die aus der Studie gewonnenen Informationen werden daher für die Gewährleistung der strukturellen Integrität von Bedeutung sein und wichtige Design-Inputs liefern.

Die Legierung 718Plus bietet nicht nur optimale Eigenschaften bei Raum- und Hochtemperatur, sondern auch eine Kombination aus guter Umformbarkeit und Schweißbarkeit, weshalb sie als potenzieller Ersatz für handelsübliche Superlegierungen für Turbinenscheibenanwendungen dienen kann. Die Eigenschaften von 718Plus sind zwar bei höheren Temperaturen mit denen kommerzieller Legierungen vergleichbar, nehmen jedoch bei längeren Haltezeiten drastisch ab. Es wurden zahlreiche Versuche unternommen, um die Leistung zu verbessern, aber eine systematische Studie über die Rolle der Größe der verfestigenden Ausscheidungen, ihre Größenverteilung und ihre Auswirkungen auf die Schadensmechanismen steht noch aus. Synergieeffekte durch Korngrenzenausscheidungen (δ) und Wechselwirkungen mit der Umgebung sind bisher immer vorhanden gewesen. Eine Veränderung der Größe, des Volumenanteils und der Verteilung von γ‘-Ausscheidungen kann das Verhalten von LCF und CFI verbessern. Um die Auswirkungen der veränderten Mikrostruktur auf die Rissausbreitung zu ermitteln, werden die Proben auch Rissausbreitungstests unter verschiedenen Umgebungsbedingungen unterzogen, um Synergieeffekte zu ermitteln. Um die Auswirkungen der modifizierten Mikrostruktur auf die LCF-Lebensdauer des Materials zu verstehen, muss die Delta-Ausscheidung an den Korngrenzen vermieden werden. Das Hauptziel dieses Projekts besteht darin, die Auswirkungen der Ermüdung bei niedrigen Zyklenzahlen und der Wechselwirkung zwischen Kriechen und Ermüdung auf die Lebensdauer von Legierungen mit modifiziertem Gefüge zu ermitteln und die beteiligten Schadensmechanismen zu verstehen. Dies könnte neue Erkenntnisse liefern, um die Legierung weiter zu modifizieren, um eine bessere und effizientere Eigenschaften zu erzielen. Standardproben aus 718Plus werden ebenfalls demselben Prüfplan unterzogen, um eine vergleichende Datenbasis zu schaffen. Die Transmissionselektronenmikroskopie wird eingesetzt, um die Versetzungsinteraktionen und die Bildung von Unterstrukturen unter Testbedingungen besser zu verstehen und Struktur-Eigenschafts-Korrelationen zu erstellen, um das Verhalten des Materials in verschiedenen Betriebssituationen vorherzusagen.