Beschreibung
P 1361 – Quantitative Bewertung und effiziente Charakterisierung intrinsischer und extrinsischer Einflüsse auf die zyklischen Eigenschaften hochfester Stähle
Zur Reduzierung des Zeit-, Energie- und Materialaufwands in Ermüdungsuntersuchungen wurde in diesem Projekt als Alternative zur Durchführung von Einstufen-Ermüdungsversuchen bei verschiedenen Spannungsniveaus eine Kurzzeitversuchsmethodik auf Basis eines instrumentierten Mehrstufenversuchs (MSV) als experimentelle Methode zur zeit- und kosteneffizienten Charakterisierung zyklischer Werkstoffeigenschaften insbesondere für hochfeste Stähle entwickelt. Durch den Einsatz mikromagnetischer Messmethoden während der MSV konnte hierbei die resultierende MBNEnergy mit dem Spannungs-Dehnungs-Verlauf und dem Bruchverhalten korreliert werden. Untersucht wurden die drei hochfesten Stähle 18MnCrMoV6 (Bainit-Stahl), 38MnVS6 und 46MnVS5 (AFP-Stähle). Die mikromagnetischen Messmethoden wurden so an die MSV-Versuche angepasst, dass die Änderung der MBNEnergy während der gesamten Versuchsdauer aufgenommen werden konnte. Hierbei wurde eine starke Korrelation zwischen der MBNEnergy und der Erhöhung der Spannung und folglich der Dehnungsänderung (aufgenommen mit digitaler Bildkorrelation) beobachtet. Es zeigte sich, dass die untersuchten Stähle eine spezifische Anfangsenergie des Barkhausenrauschens aufweisen, die sich (je nach Material und Zusammensetzung) bei erhöhter Beanspruchung und nach elastisch-plastischer Dehnung in Ermüdungsversuchen erhöhen oder verringern kann. Weiterhin wurde beobachtet, dass jedes Material vor dem Versagen ein bestimmtes MBNEnergy-Niveau erreicht. Basierend auf diesen Erkenntnissen konnte der Trend der MBNEnergie als Kenngröße zur Abschätzung der Restlebensdauer verschiedener ferromagnetischer Materialien unter zyklischer Belastung genutzt werden. Bei der Reduzierung der Temperatur (T = -10 °C und -30 °C) sowie Induzierung von Vordehnungen (ε = 2 % und 0,5·Ag) konnten zumeist leichte Steigerungen der dynamischen Festigkeit beobachtet werden.
Die Arbeiten in diesem Projekt zielten auch auf die Weiterentwicklung des Konzepts der mikrostruktursensitiven Ermüdungsmodellierung für hochfeste Stähle und deren zugrunde liegenden Mikrostrukturen ab. Die mikrostruktursensitive Ermüdungsmodellierung wurde eingesetzt, um neue Möglichkeiten des Werkstoffdesigns für zyklisch hochbeanspruchte Stähle aufzuzeigen. Im Kern beruht das Konzept auf der mikromechanischen Berechnung von Ermüdungsindikatoren und deren Korrelation mit zyklischen Eigenschaften auf Grundlage von analytischen Risswachstumsgesetzen. Die Simulationen erfolgten dabei an repräsentativen Volumenelementen (RVE), in denen das Werkstoffgefüge geometrisch erfasst wird. Aus diesen Messungen konnten die quantitativen Informationen bzgl. des Phasenanteils, der Korngröße, -form, -orientierung und der Verteilung der Einschlüsse gewonnen werden, die als Eingangsdaten zur Generierung von statistisch repräsentativen Gefügemodellen dienten. Die Beschreibung der mechanischen Werkstoffreaktionen unter zyklischer Last erfolgte in den RVESimulationen unter Einsatz eines Kristallplastizitätsmodells, um die von der kristallographischen Orientierung abhängige Verfestigung zu beschreiben. Im Projekt wurde eine Multiskalen-Simulationsstrategie (Nanoindentationstests, einachsigen Zugversuchen) zur Kalibrierung der Kristallplastizitätsparameter (CP-Parameter) der Ferrit- und Bainitphasen sowie der isotropen Verfestigungsparameter der Perlitphase verwendet. Im letzten Schritt wurden die dehnungskontrollierten Ermüdungsversuche mit niedriger Lastspielzahl verwendet, um die kinematischen Verfestigungsparameter des Werkstoffs zu bestimmen. Die Evolution des Ermüdungsindikatorparameters unter zyklischer Verformung wurde aus verschiedenen RVE-Modellen extrahiert. Basierend auf den gesammelten Ermüdungsindikatorparametern aus mehreren statistisch äquivalenten RVE-Modellen unter verschiedenen Belastungsamplituden konnten die Zyklen für die Rissentstehung und das Versagen anhand analytischer Gleichungen bestimmt werden.
Durch Modifizierung der Konfigurationen der Mikrostrukturmodelle und Änderung der entsprechenden konstitutiven Parameter konnte der Einfluss intrinsischer und extrinsischer Faktoren, d. h. Temperatur und Vordehnung, auf die Ermüdungseigenschaften quantitativ bewertet werden.
Der Einsatz eines portablen Geräts zur lokalen Messung der MBNEnergie in kritischen Bereichen von Bauteilen ermöglicht KMU eine zeiteffiziente Abschätzung der Restlebensdauer. Außerdem ermöglicht die Nutzung des Mehrstufen-versuchs (MSV) als Alternative zu den sonst üblichen Einstufen-Ermüdungsversuchen, den KMU eine zeitund kosteneffiziente Charakterisierung zyklischer Werkstoffeigenschaften. Mikrostruktursensitive Ermüdungsmodellierungsansätze bieten KMU neue Möglichkeiten für das Materialdesign, um die Auswirkungen sowohl intrinsischer als auch extrinsischer Faktoren auf die Ermüdungseigenschaften zu berücksichtigen.
Veröffentlichung:
August 2022
Autoren:
Dr.-Ing. F. Shen, Univ.-Prof. Dr.-Ing. S. Münstermann, M.Sc. Y. Sarafraz, Prof. Dr.-Ing. habil. F. Walther
