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VHCF-Verhalten des hochfesten Stahls 100Cr6: Rissinitiierungsmechanismen und Schwellenwerte

  • Das Ermüdungsverhalten hochfester Stähle wird durch nichtmetallische Einschlüsse im Werkstoff bestimmt, die unter zyklischer Beanspruchung zu Rissinitiierung führen. Bisher noch nicht vollständig verstandene Ermüdungsvorgänge führen auch noch bei sehr hohen Lastspielzahlen über 10^7 Zyklen zu Versagen (Very high cycle fatigue - VHCF) und somit zum Verlust der „klassischen“ Dauerfestigkeit. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zur Klärung dieses Phänomens Ermüdungsversuche mit dem hochfesten Stahl 100Cr6 durchgeführt und die VHCF-Rissinitiierung untersucht. Zusätzlich zum natürlichen Versagen durch Einschlüsse wurde die VHCF-Rissinitiierung unter definierten Bedingungen mit künstlichen Defekten nachgestellt und untersucht. Um einen Einblick in die VHCF-Ermüdungsvorgänge zu erhalten, wurde die lokale Mikrostruktur im Bereich der Rissinitiierung mittels REM, FIB, TEM und APT analysiert. Auf Basis der beobachteten Veränderungen der lokalen Mikrostruktur um Defekte und der damit einhergehenden frühen Rissausbreitung im VHCF-Bereich kann der zugrundeliegende Mechanismus, der schlussendlich für die VHCF-Schädigung verantwortlich ist, aufgeklärt werden. Durch bruchmechanische Bewertung der rissinitiierenden Defekte aus Einstufen- und VHCF-Laststeigerungsversuchen konnten zudem Schwellenwerte des Spannungsintensitätsfaktors für VHCF-Versagen in hochfesten Stählen abgeleitet werden, die die Grenzen der VHCF-Schädigung bis zu 10^9 Zyklen festlegen.
  • The fatigue behavior of high-strength steels is determined by non-metallic inclusions, which lead to crack initiation under cyclic loading conditions. Still not fully understood fatigue processes trigger failure at very high numbers of load cycles above 10^7 (Very high cycle fatigue - VHCF) and are responsible for the loss of the “classical” fatigue limit. In the scope of this work fatigue test with the high-strength steel 100Cr6 were executed and the VHCF crack initiation was investigated to clear this phenomenon. Besides the natural failure at inclusions VHCF crack initiation was reproduced with artificial defects under predefined conditions. In order to gain insights into fatigue mechanisms microstructure analyses at the crack initiation site were performed with SEM, FIB, TEM and APT. Based on the observed changes of the local microstructure at defects and the connected early crack propagation in the VHCF-regime the underlying detrimental VHCF crack initiation mechanisms can be cleared. Additionally fracture mechanical evaluations of the crack initiating defects, observed in one-step and VHCF load increase tests, enabled the estimation of a threshold value of the stress intensity factor for VHCF failure in high- strength steels. Below this value no VHCF-damage could be observed up to a fatigue life of 10^9 cycles.

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Metadaten
Author:Daniel Spriestersbach
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-58939
Advisor:Eberhard Kerscher
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Publication Date:2020/02/13
Year of Publication:2020
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2019/10/28
Date of the Publication (Server):2020/02/14
Number of page:VIII, 148
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Licence (German):Creative Commons 4.0 - Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung (CC BY-NC-ND 4.0)