Optimierung des Ermüdungsverhaltens von TWIP-Stählen durch gezielte Vorverformung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Fokus der Forschung im Projekt standen die Ermüdungseigenschaften hochmanganhaltiger TWIP-Stähle in verschiedenen Lebensdauerbereichen. Von besonderem Interesse waren dabei die Zusammenhänge zwischen monotoner (Vor-)Verformung, Mikrostrukturentwicklung, mechanischen Eigenschaften sowie Schädigungsentwicklung. Die Erforschung dieser Zusammenhänge hat gezeigt, dass die Ermüdungseigenschaften der TWIP-Stähle bei geeignet gewählten Vorverformungsprozeduren in allen Lebensdauerbereichen verbessert werden können. Für die Bereiche LCF und Rissausbreitung (Bruchmechanik) haben sich bei Raumtemperatur moderate Vorverformungsgrade als optimal für eine Lebensdauerverlängerung bzw. die Erhöhung des Widerstands gegenüber der Rissausbreitung herausgestellt. Basierend auf der erhöhten Stabilität der Mikrostruktur aufgrund intensiver Wechselwirkungen von Versetzungen mit den durch die Vorverformung eingebrachten Zwillingen sind derartige Verbesserungen zu erklären. Im Falle einer HCF-Belastung ist der Einfluss einer starken Vorverformung sogar noch deutlicher ausgeprägt. Eine signifikante Erhöhung der ertragbaren Spannungsamplituden im Zeit- sowie Dauerfestigkeitsbereich konnte klar herausgestellt werden, lediglich die steigende Kerbempfindlichkeit ist als negativ zu beurteilen. Die Entwicklung von deutlich ausgeprägten Mittelspannungen bei der Ermüdung konnte vor allem nach der Vorverformung klar erkannt werden. Der Einfluss dieser Mittelspannungen auf die Lebensdauern sowie die mikrostrukturelle Entwicklung bei der Ermüdung im LCF-Bereich kann jedoch als nicht sehr ausgeprägt beurteilt werden. Versuche mit gezielt vorgegebenen Mittelspannungen konnten aufzeigen, dass der TWIP-Stahl auch bei sehr hohen Mittelspannungsniveaus nur unwesentlich durch diese hinsichtlich seiner Lebensdauer beeinflusst wird. Ähnliche Ergebnisse wurden in Versuchen unter konstanter plastischer Dehnung herausgestellt. Auch hier konnten keine signifikanten Änderungen in der mikrostrukturellen Entwicklung der TWIP-Stähle gefunden werden. Es verbleibt somit zusammenzufassen, dass der TWIP-Stahl unter allen in diesem Projekt untersuchten Belastungsbedingungen ein ausgezeichnetes Ermüdungsverhalten bei Raumtemperatur aufgezeigt hat und dabei allein durch die zyklische Belastung nicht zur Verzwilligung bzw. intensive Verfestigung angeregt werden konnte. Zur gezielten Initiierung von Verzwilligung und/oder martensitischer Umwandlung und somit zur Verbesserung der Ermüdungseigenschaften sind daher Vorverformungsoperationen zwingend erforderlich. Hierbei spielt neben der absoluten Höhe der Verformung vor allem auch die Formungstemperatur eine entscheidende Rolle. Für TWIP-Stähle mit nicht zu stark ausgeprägter Austenitstabilität kann durch eine Formgebung bei cryogenen Temperaturen gezielt die martensitische Umwandlung initiiert werden, welche zu einer stärkeren Verfestigung des Materials im Vergleich zu einer reinen Verzwilligung führt. Hieraus ergeben sich deutliche Verbesserungen nicht allein im nachfolgenden monotonen Verformungsverhalten, auch die Ermüdungseigenschaften können gezielt verbessert werden. Im Hinblick auf die Anwendung gezielter Vorverformungsprozesse ist der Einfluss des Spannungszustands von sehr hohem Interesse. Gerade bei der Cryo-Formung bauteilähnlicher Strukturen hat sich gezeigt, dass die Formbarkeit der TWIP-Stähle doch erheblich eingeschränkt ist. Zudem führten höchste Grade an Vorverformung bei tiefsten Temperaturen nicht zu guten Ermüdungseigenschaften. Hier gilt es weitergehende Forschungsprojekte zu initiieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Deformation mechanisms in high-manganese steels showing twinning-induced plasticity: Fine-grained material and single crystals at ambient and cryogenic temperatures. Scripta Mater. 67, 875-878 (2012)
T. Niendorf, C.J. Rüsing, A. Frehn, Y.I. Chumlyakov, H.J. Maier
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Microstructure - deformation relationships in fine grained high manganese TWIP steel - the role of local texture. Int. J. Mat. Res., 103, 12-16 (2012)
C.J. Rüsing, T. Niendorf, J. Lackmann, A. Frehn, H.J. Maier
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On the low-cycle fatigue response of pre-strained austenitic Fe61Mn24Ni6.5Cr8.5 alloy showing TWIP effect. International Journal of Fatigue, 40, 51-60 (2012)
H.-G. Lambers, C.J. Rüsing, T. Niendorf, D. Geissler, J. Freudenberger, H.J. Maier
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The role of notches on fatigue life of TWIP steel in the HCF regime, Mater. Sci. For. 706-709, 2205-2210 (2012)
T. Niendorf, P. Klimala, H.J. Maier, A. Frehn
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Low-cycle fatigue behavior of a TWIP steel: Effect of mean stress and microstructure, in: Proc. LCF7 Aachen, 333-338 (2013)
C.J. Rüsing, T. Niendorf, A. Frehn, H.J. Maier
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Low-cycle fatigue behavior of TWIP steel – Effect of grain size, Adv. Mater. Res. 891-892, 1603-1608 (2014)
C.J. Rüsing, T. Niendorf, A. Frehn, H.J. Maier
