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.