Untersuchungen zum Einfluss innerer Grenzflächen auf das Ermüdungsverhalten metallischer Konstruktionswerkstoffe

Abstract

In dieser Arbeit wird das Ermüdungsverhalten bei hohen und sehr hohen Lastspielzahlen (bis 10 8 Lastwechsel) zweiphasiger Konstruktionswerkstoffe am Beispiel eines Duplexstahls und einer Titanlegierung untersucht. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der stark durch die Mikrostruktur beeinflussten Schädigungsinitiierung sowie dem Wachstum kurzer Ermüdungsrisse. Es zeigt sich, dass die in der Mikrostruktur enthaltenen Phasengrenzen für beide Werkstoffe den die Wechselfestigkeit bestimmenden Beitrag liefern. Die Schädigung beginnt im Duplexstahl durch Abgleitung in der weicheren Austenitphase in Körnern mit hohem Schmidfaktor, während anschließend die überwiegende Anzahl der entstehenden Risse in Folge der elastischen und plastischen Inkompatibilität an den Phasengrenzen initiiert. Eine Definition der physikalischen Dauerfestigkeit des Werkstoffs ergibt sich aus der Barrierewirkung der Phasengrenzen, an denen Versetzungen und Risse bei kleinen Belastungsamplituden stoppen. Korngrenzen, und hier insbesondere die im Duplexstahl vorhandenen Zwillingsgrenzen, besitzen aufgrund des nicht vorhandenen Drehwinkels lediglich einen untergeordneten Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit. Aus der nur im Sonderfall beobachteten Rissinitiierung an herstellungsbedingten nichtmetallischen Einschlüssen wird zusätzlich eine technologische Dauerfestigkeit des Werkstoffs abgeleitet. Im Falle der Titanlegierung, die in zwei Gefügezuständen untersucht wurde, findet die Rissinitiierung vorwiegend in der sekundären Alphaphase statt. Als die die Rissausbreitung dominierenden Faktoren stellen sich die primären Gleitsysteme (basal und prismatisch) heraus, die mit einem hohen Schmidfaktor in Relation zur äußeren Belastung versehenen sind. Darüber hinaus zeigt sich, dass Risse teilweise auch normalspannungskontrolliert und interkristallin in den lamellaren Gefügebestandteilen wachsen. Die gewonnenen Ergebnisse fließen schließlich in zwei verschiedene Methoden zur Lebensdauervorhersage ein. Das für den Duplexstahl zur Anwendung gebrachte, phänomenologisch gestützte Konzept PHYBAL LSV ist in der Lage, auf Basis von drei Ermüdungsversuchen eine zuverlässige und konservative Abschätzung der Ermüdungsfestigkeit zu liefern. Im Falle der Titanlegierung wird ein mechanismenorientierter Ansatz gewählt, der auf der Simulation der Kurzrissausbreitung in zweidimensionalen virtuellen Gefügen beruht. Da in diesem Modell die identifizierten Charakteristika des mikrostrukturbestimmten Risswachstums berücksichtigt sind, lassen sich Lebensdauern auf Basis synthetischer Wöhlerkurven auch in virtuellen Mikrostrukturen berechnen. Am Ende der Arbeit wird eine technologisch und wirtschaftlich attraktive Kombination der beiden Konzepte vorgeschlagen, die eine virtuelle Gefügeoptimierung gefolgt von der experimentell abgesicherten Lebensdauerermittlung beinhaltet.

This thesis covers the fatigue behaviour of two-phased construction materials at high and very high numbers of cycles (up to 10 8 load reversals) using the example of a duplex steel and a titanium alloy. Main emphases are put to the early stage of damage initiation and the growth of short fatigue cracks. Both phenomena are strongly dependant on the local microstructure. It becomes apparent that the phase boundaries present in both alloys determine the fatigue strength. In case of the duplex steel fatigue damage starts by slip in the softer austenite predominantly in grains exhibiting a high Schmid factor, whereas most of the cracks developing afterwards initiate at phase boundaries due to the elastic and plastic incompatibility. A definition of the physical fatigue limit results from the barrier effect of phase boundaries, where dislocations and short cracks are stopped in case of low load amplitudes. Grain boundaries, in particular twin grain boundaries present in the duplex steel, exhibit only a minor influence on the fatigue strength due to the missing twist angle. The rarely observed exception of crack initiation at non-metallic inclusions, which result from production, is used to establish a technological fatigue limit in addition. In case of the titanium alloy, which was investigated in two different microstructural modifications, crack initiation predominantly is observed in the secondary alpha phase. The crack propagation is mainly controlled by those primary slip systems (basal and prismatic), which exhibit a high Schmid factor with respect to the external load. Moreover, it can be shown that some cracks partially grow by an intercrystalline mechanism in the lamellar part of the microstructure controlled by the maximum normal stress. Furthermore, the results are used to establish two different methods for predicting the fatigue lifetime. In case of the duplex steel, this is the phenomenologically based concept of PHYBAL LSV , which uses three fatigue experiments in order to determine a reliable and conservative estimation of the fatigue strength. A mechanism-based approach is chosen in case of the titanium alloy, which relies on the simulation of short fatigue crack growth in two-dimensional virtual microstructures. Since this model takes into account the identified characteristics of the crack growth which is depending on the microstructure, lifetimes based on synthetic Wöhler curves can be calculated using also virtual microstructures. Finally, a technologically and economically attractive combination of both concepts is proposed by using the short crack model for the optimisation of virtual microstructures followed by the experimental verification of the calculated lifetimes