Stabilität der Mikrostruktur feinstkörniger unlegierter Stähle bei zyklischer Beanspruchung
Final Report Abstract
Ziel dieses Vorhabens war es, im ferritisch‐perlitischen untereutektoiden Stahl C45 durch massive plastische Umformung feinstkörnige Strukturen einzustellen. Die so hergestellten Zustände wurden dann hinsichtlich ihrer Mikrostruktur, ihrem Wechselverformungsverhaltens und ihrer Wechselfestigkeiten analysiert, um die Stabilität der erzeugten Strukturen unter zyklischer Beanspruchung zu bewerten. Zur Erzeugung der ultrafeinkörnigen Stahlzustände kam das Verfahren der Hochdruck Torsionsbeanspruchung (HPT) zum Einsatz. Für die HPT‐Prozedur wurden ein normalisierter Anlieferungszustand benutzt und drei weitere Zustände durch Wärmebehandlungen aus dem normalisierten Zustand hergestellt. Als Wärmebehandlung kamen ein Weichglühbehandlung und Vergüten zum Einsatz. Darüber hinaus wurde der normalisierte Zustand patentiert, um einen möglichst feinstreifigen Perlit mit geringem Anteil an Ferrit einzustellen. Die detailliertere mikrostrukturelle Untersuchung der verschiedenen Zustände mittels automatischer Kristallorientierungsanalyse im TEM (ACOM‐TEM) zeigte die Morphologieänderung mit einer Reduktion der Korngröße des Ferrits bis zu 150 nm im Durchmesser und einer feineren Verteilung der Karbide. Dabei sind die Korngrößen der finalen Zustände für vergüteten und patentierten Proben weitgehend vergleichbar, während die normalisierten Proben etwas größere Ferritkörner als die anderen beiden Proben aufwiesen und der weichgeglühte Zustand die grobsten Strukturen zeigte. Aufgrund der sehr geringen Abmessungen der Plättchen nach HPT wurden spezielle Probeneinspannungen für die Prüfmaschine selbst konstruiert, um die sehr kleine Proben mit einer Länge von 4 mm einer zyklischen 4‐Punkt‐Biegebeanspruchung unterziehen zu können. Die Ergebnisse zeigten das hohe Potenzial der HPT‐ Behandlung zur Schwingfestigkeitssteigerung von Stählen. Die ermittelte Dauerfestigkeit beträgt für den weichgeglühten Ausgangszustand vor HPT: RD=316 MPa, nach 6 vollen HPT‐Umdrehungen: RD=494 MPa, und nach 10 vollen HPT‐Umdrehungen: RD=837 MPa. Die anderen Zustände zeigten zwar höhere Werte der Dauerfestigkeit, aber auch höhe Streuung der Lebensdauer. Der patentierte Zustand erreichte nach 10 HPT Umdrehungen eine Schwingfestigkeit, die praktisch identisch mit der des hochfesten Zustands des Wälzlagerstahls 100Cr6 war. Um die Rissinitiierungsmechanismen zu ermitteln, wurden alle Bruchflächen nach der Ermüdungsprüfung rasterelektronenmikroskopisch untersucht. Bei allen Proben wurde Rissinitiierung sehr häufig an der Oberfläche ohne sonstige Auffälligkeiten wie nichtmetallische Einschlüsse beobachtet, was vermuten lässt, dass die dortige Mikrostruktur selbst größere Inhomogenitäten aufweist, die schädlicher als die zwischen 5‐15 µm großen nichtmetallischen Einschlüsse wirken. Die typische für grobkörnige hochfeste Materialien wie 100Cr6 glatte Ermüdungsbruchflächen um den rissinitiierenden Einschluss (Fisheye) wurde auch im ultra‐ feinkörrnigen C45 Stahl beobachtet, allerdings treten dort keine Feinkörnigen Zonen (Fine Granular Area, FGA) mehr auf, die im 100Cr6 oft das Versagensverhalten bei längeren Lebensdauern bestimmen.. Nach dem aktuellen Stand der Technik gibt es generell keine vergleichbaren UFG‐Stahlzustände, welche in zyklischen Vergleichsexperimenten ähnliche Ermüdungsfestigkeiten wie jene des 100Cr6 im bainitischen oder martensitischen Zustand aufweisen. Innerhalb unserer Untersuchungen konnten aber genau solche Dauerfestigkeiten für den patentierte Zustand nach 10 HPT Umdrehungen mit initialer fast rein perlitischer Mikrostruktur vor HPT nachgewiesen werden.
Publications
- Spannungsberechnung bei 4‐Punkt‐Biegung von Mikroproben mittels der Finiten‐Elemente‐Methode. Fortschritte in der Werkstoffprüfung für Forschung und Praxis, Herausgeber H.‐J. Christ, Verlag Stahleisen, Düsseldorf, 2013, S. 279‐284
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- Fatigue behavior of ultrafine grained medium carbon steel with different carbide morphologies processed by high pressure torsion. Advanced Materials Research, 891‐892 (2014), 428‐433
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(See online at https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.891-892.428) - Fatigue behaviour of ultrafine grained medium Carbon steel processed by severe plastic deformation. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 63 (2014) 012163
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(See online at https://doi.org/10.1088/1757-899X/63/1/012163) - Fatigue Behavior of Ultrafine‐Grained Medium Carbon Steel with Different Carbide Morphologies Processed by High Pressure Torsion. Metals 5 (2015) 891‐909
C. Ruffing, A. Kobler, E. Courtois‐Manara, R. Prang, C. Kübel, Yu. Ivanisenko, E. Kerscher
- Schwingfestigkeit und Mikrostruktur von ultrafeinkörnigem C45. Dissertation
C. Ruffing
- A comparison of the fatigue and fracture behavior of high strength ultrafine grained medium carbon steel SAE 1045 with high strength bearing steel SAE 52100. 21st European Conference on Fracture, ECF21, 20‐24 June 2016, Catania, Italy
C. Ruffing, Yu. Ivanisenko, E. Kerscher
(See online at https://doi.org/10.1016/j.prostr.2016.06.404)
