Ermittlung kritischer Werte der Rißspitzenöffnung an hochfesten Stählen auf der Grundlage optischer Rißprofilmessungen sowie deren Zusammenhang mit der kritischen Durchbiegung und der Bruchverformungsarbeit

Ableitung einer Beziehung zwischen der Kerbaufweitung und der Rißspitzenöffnung aufgrund optischer Rißprofilmessungen. Zusammenhang zwischen der Rißspitzenöffnung und dem Spannungsintensitätsfaktor. Statische und dynamische Versuche an großen und kleinen Dreipunkt-Biegeproben mit Ermüdungsriß im Gültigkeitsbereich der linear-elastischen Bruchmechanik zur Überprüfung dieser Beziehung bei einem normalgeglühten unlegierten Stahl mit 0,19% C, 0,34% Si und 1,4% Mn sowie drei Vergütungsstählen mit 0,16 bis 0,35% C, rd. 0,2% Si, 0,25 bis 0,55% Mn, rd. 1,3% Cr, 0,45% Mo, 2 bis 3,6% Ni und 0,02 bis 0,1 % V. Zusammenhang zwischen den bruchmechanischen Kennwerten und der kritischen Durchbiegung sowie der Bruchverformungsarbeit.     

Rißausbreitung in einem aushärtbaren austenitischen Stahl mit rd. 6% Al und 40% Ni unter Zugschwellbeanspruchung

Zugschwellversuche und Biegewechselversuche an einem aushärtbaren austenitischen Stahl mit rd. 6% Al und 40% Ni in verschiedenen Gefügezuständen. Einfluß des Gefüges auf das Rißausbreitungsverhalten. Zusammenhang zwischen der Rißausbreitungsgeschwindigkeit und dem Durchmesser der plastisch verformten Zone vor dem Rißgrund. Vergleich mit theoretisch errechneten Werten der Rißausbreitungsgeschwindigkeit. Zusammenhang zwischen Rißausbreitungsgeschwindigkeit und Bruchzähigkeit unter Berücksichtigung der Gleitverteilung.     

Einfluß des Gefüges auf die mechanischen Eigenschaften von Gußeisen mit rd. 3% C und 14% Cr für Walzen

Ermittlung der mechanischen Eigenschaften unterschiedlicher Bereiche gegossener Walzen mit 360 mm Ballendurchmesser und 200 mm Zapfendurchmesser aus drei Schmelzen eines Gußeisens mit rd. 3% C, 0,8% Si, 0,8% Mn, 0,14% P, 0,014% S, 14,2% Cr, 0,35% Mo und 0,5% Ni in zwei Wärmebehandlungszuständen. Zahlenmäßiger Zusammenhang zwischen der Biegefließgrenze und geeigneten Kennwerten für den Gefügezustand unter Bezugnahme auf die Beanspruchungsrichtung. Einfluß des Gefügezustandes auf das Formänderungsverhalten im statischen Biegeversuch.     

Versuchsmethodik für Laboruntersuchungen zum Zusammenhang zwischen Herstellungsbedingungen,Gefüge und Werkstoffeigenschaften

Wegen ihrer großen Bedeutung unter den heutigen Herstellungsverfahren wurden thermomechanische Behandlungen durch Warmflachstauchversuche mit dem Warmumformsimulator (Wumsi) des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung durchgeführt. Die gegenüber anderen Simulationsverfahren vergleichsweise großen Wumsi-Proben erlaubten erstmalig mit aus ihnen entnommenen 1/2 CT-Proben auch die Durchführung von Bruchmechanikversuchen an im Labor thermomechanisch behandeltem Stahl. Hierbei wurden die Meßwerte mit einem Laborrechnersystem für die spätere Auswertung gespeichert. Die beschriebene Versuchsmethodik wird exemplarisch mit Versuchsergebnissen an dem Vergütungsstahl 50 CrMo 4 illustriert. Neben einer thermomechanischen Behandlung mit vier simulierten Walzstichen wurde eine konventionelle Vergleichsvariante erzeugt; die Proben wurden bei verschiedenen Temperaturen angelassen. Sowohl bei den Ergebnissen der Zug- und Kerbschlagbiegeversuche, als auch bei den bruchmechanischen Kennwerten Rißzähigkeit K_Ic und J_R-Rißwiderstandskurven zeigte sich die Verbesserung der Werkstoffeigenschaften durch die thermomechanische Behandlung gegenüber denen nach der konventionellen Behandlung.     

Mikroskopische Untersuchungen zur Rißausbreitung unter statischer Beanspruchung an einem aushärtbaren austenitischen Stahl mit rd. 6% Al und 40% Ni

Bruchflächenuntersuchungen und unmittelbare Beobachtung der Rißausbreitungen sowohl in dicken Proben als auch in dünnen Folien bei einem aushärtbaren austenitischen Stahl mit rd. 6% Al und 40% Ni in acht verschiedenen Gefügezuständen. Mechanismen der Rißentstehung im homogenen Mischkristall sowie in Gegenwart kohärenter oder inkohärenter Ausscheidungen oder eines Versetzungsnetzwerks. Einfluß der Korngrenzenbeschaffenheit. Bedeutung von Supergleitbändern und Voraussetzungen für deren Bildung.     

Zusammenhang zwischen Verschleiß, Rißbildungswiderstand und Spannungsintensitätsfaktor hartspröder Werkstoffe

An hartspröden Werkstoffen wie Hartmetall, gesintertes Aluminiumoxid und Porzellan Kennzeichnung ihres Verschleißmechanismus in Abhängigkeit von der Beanspruchung und der Beanspruchungstemperatur. Zusammenhang zwischen bei der Härtemessung ermittelter Rißlänge, Rißbildungswiderstand, kritischem Spannungsintensitätsfaktor und Verschleißwiderstand. Einfluß von chemischer Zusammensetzung und besonders Temperatur auf die Beziehung zwischen Spannungsintensitätsfaktor und Verschleißwiderstand. Darlegung der Gründe für den bei hohen Temperaturen gegenüber Hartmetall großen Verschleißwiderstand von gesintertem Aluminiumoxid, zum Beispiel beim Metallzerspanen.     

Zum Einfluß von Temperatur und Beanspruchungsgeschwindigkeit auf die Zähigkeitskennwerte des Stahls C10 mit unterschiedlicher Korngröße

Untersuchungen an dem unlegierten Stahl C10 in zwei verschiedenen Korngrößen. Ermittlung der Rißzähigkeit K_lc und der kritischen Rißaufweitung δ_c in Abhängigkeit von der Temperatur bei quasistatischer und schlagartiger Beanspruchung. Hinweise auf die Dehnungen an der Rißspitze durch Aufnahmen des rekristallisierten Gefüges. Überprüfung von analytischen und empirischen Korrelationen zwischen Rißzähigkeit, Spaltbruchspannung, Streckgrenze und Verfestigungsexponent.     

Untersuchungen zum Einfluß des Gefüges auf bruchmechanische Kennwerte

Unter den Einflußgrößen auf die bruchmechanischen Werkstoffkennwerte spielt das Gefüge eine entscheidende Rolle. Es gibt hierzu einige quantitative Modellvorstellungen, aber noch keine, die allgemein gültig ist. Exemplarisch werden einige Untersuchungsergebnisse vorgestellt. An einem Stahl 50 CrMo 4 wurde der Einfluß der Art des Gefüges mit annähernd gleichen Zugfestigkeitswerten auf die Rißzähigkeit untersucht; dabei ergaben sich für angelassenen Martensit die höchsten Werte. Bei einem Stahl 36 CrNiMo 4 wurde durch Veränderung der Anlaßtemperatur der Carbidausscheidungszustand variiert. Mit Hilfe einer auf den J_R-Rißwiderstandskurven basierenden bruchmechanischen Analyse konnte eine optimale Anlaßtemperatur bestimmt werden. Bei einem Stahl 50 CrMo 4 wurde der Einfluß einer Kornfeinung durch thermomechanische Behandlungen mit dem Warmumformsimulator (Wumsi) untersucht. Dabei bestätigten auch die bruchmechanischen Werkstoffkennwerte die hierdurch erzielten günstigen Gebrauchseigenschaften der Stähle.     

Anwendung bruchmechanischer Methoden auf Zugproben mit Mittenriß

Um die Übertragbarkeit von bruchmechanischen Kennwerten zu überprüfen, wurden zur Ergänzung früherer Untersuchungen mit Kompaktproben (CT-Proben) nunmehr Versuche mit Zugproben mit Mittenriß durchgeführt. Die Proben hatten eine Breite von 50 bzw. 100 mm und eine Dicke von 12,5 bzw. 25 mm und waren aus einem mittelfesten Baustahl St 52-3 und einem hochfesten Vergütungsstahl 30 CrNiMo 8 gefertigt. Um verschiedene Konzepte der Bruchmechanik erfassen zu können, erfolgten die Versuche in einem weiten Temperaturbereich von ? 196°C bis Raumtemperatur. Bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs von ? 196°C trat instabile Rißausbreitung ein, und die linear elastische Bruchmechanik mit dem Werkstoffkennwert K_Ic erwies sich als das geeignete Werkzeug zur Beschreibung der Ergebnisse. Bei höheren Temperaturen (oberhalb von etwa ? 60°C), bei denen die Rißausbreitung stabil erfolgte und mit großer plastischer Verformung verbunden war, wurden Rißwiderstandskurven bestimmt, und zwar vorzugsweise JR-Δa-Kurven. Die auf dem J-Integral beruhende Methode von Shih und Kumar konnte erfolgreich zur Berechnung der Höchstlasten der Zugproben mit Mittenriß aus den Rißwiderstandskurven von Kompaktproben eingesetzt werden. Mit der Methode der plastischen Grenzlast wurden die gemessenen Höchstlasten vielfach stark unterschätzt.     

Untersuchungen zur Beständigkeit des Gefüges von Schweißverbindungen zwischen unlegierten ferritischen und austenitischen Stählen bei Betriebstemperaturen um 400 °C

Herstellung von Schweißverbindungen zwischen austenitischem Chrom-Nickel-Stahl und unlegiertem Stahl. Prüfung der Diffusion von Kohlenstoff, Chrom und Nickel nach 1000stündiger Auslagerung bei 400 °C. Folgerungen aus der Kohlenstoffverteilung auf die Gefügebeständigkeit und das Rißverhalten der untersuchten Schweißverbindungen.     

Mikroskopische Untersuchungen zur Rißausbreitung unter Zugschwellbeanspruchung an einem aushärtbaren austenitischen Stahl mit rd. 6% Al und 40% Ni

Mikroskopische Untersuchungen nach Zugschwellbeanspruchung an einem aushärtbaren austenitischen Stahl mit rd. 6% Al und 40% Ni in acht verschiedenen Gefügezuständen. Einfluß des Gefüges und der Streckgrenze auf die Mechanismen der Rißentstehung und der Rißausbreitung sowie auf das Erscheinungsbild des Ermüdungsbruches.     

Einfluß des Spannungsarmglühens auf die mechanischen Eigenschaften und das Gefüge von schweißsimulierend wärmebehandelten Proben aus warmfesten Feinkornbaustählen

Untersuchung der Eigenschaften des grobkörnigen Gefüges im wärmebeeinflußten Bereich neben einer Schweißnaht an simulierend wärmebehandelten Proben von sechs Feinkornbaustählen, nämlich 17 MnMoV 6 4, 17 MnNiMoV 5 4, 17 MnNiMoNb 6 6, 22 NiMoCr 3 7, 17 MnNiMo 5 4 und 17 NiCrMo 10 6. Einfluß des Spannungsarmglühens vorwiegend bei 580 °C bis 100 h Dauer auf Härte und Kerbschlagzähigkeit. Ermittlung der Übergangstemperatur für die Kerbschlagzähigkeit, der Bruchzähigkeit und der Rißfortschrittgeschwindigkeit. Zeitstandversuche bis 100 h Dauer vorwiegend bei 580 °C an glatten und gekerbten Proben sowie Entspannungsversuche an glatten Proben. Zusammenhang zwischen Zeitstandkerbempfindlichkeit, Zeitbruchdehnung, Entspannungsverhalten und Rißbildung bei Spannungsarmglühen. Abgrenzung der Bedingungen für das Entstehen von Rissen beim Spannungsarmglühen.     

Einfluß der Probengeometrie auf die Ergebnisse von Bruchmechanik-Untersuchungen an dem Stahl StE 47

Untersuchung an Kompakt-Zug-(CT-)Proben zum Einfluß der Probendicke und -breite auf die Rißzähigkeit des Stahls StE 47 in Abhängigkeit von der Prüftemperatur. Auswirkungen auf die Ausbildung der plastischen Zone und das Bruchaussehen. Vergleich der Rißzähigkeit mit den bruchmechanischen Kenngrößen Rißaufweitung und J-Integral.     

Zug-Druck-Wechselfestigkeit ungekerbter und gekerbter Proben warmfester Werkstoffe im Temperaturbereich von 500 bis 700°C

Ermittlung der Spannung-Bruchzeit-Linien an ungekerbten und gekerbten Rundproben aus 13 warmfesten Werkstoffen bei Temperaturen von 500 bis 700°C unter Zug-Druck-Wechselbeanspruchung. Zusammenhänge zwischen der Warmschwing- und Zeitstandfestigkeit. Ermittlung der zeitlichen Änderung der Kerbwirkungszahlen. Metallographische Untersuchungen über Rißverlauf, Bruchflächenaussehen und Gefügeänderungen.     

Untersuchung zur Rißbildung im Schweißgut legierter Stähle mit Hilfe des instrumentierten Einspann-Schweißversuchs

Instrumentierte Einspann-Schweißversuche zum Einfluß der chemischen Zusammensetzung und des Gefügeaufbaus auf Reaktionskräfte und Rißverlauf des Schweißguts legierter Kohlenstoffstähle. Rißeinleitung durch Heißrisse im Endkraterbereich. Bevorzugtes Rißwachstum bei mittleren Kohlenstoffgehalten im Temperaturbereich der Zwischenstufenausscheidung. Bedeutung der Plastifizierung. Verzögertes Rißwachstum in Abhängigkeit von Kohlenstoff- und Chromgehalten.     

Zum Einfluß von Temperatur und Beanspruchungsgeschwindigkeit auf die Rißzähigkeit von Baustählen mit unterschiedlicher Festigkeit

Untersuchungen an zwei territisch perlitischen Stählen und an einem bainitischen Stahl mit Streckgrenzenwerten zwischen 330 N/mm² und 630 N/mm². Ermittlung der Rißzähigkeit K_lc in Abhängigkeit von der Temperatur bei Beanspruchungsgeschwindigkeiten zwischen dem quasistatischen Versuch und schlagartiger Beanspruchung. Meßtechnische Voraussetzungen für die Durchführung von Bruchmechanikversuchen bei hohen Beanspruchungsgeschwindigkeiten. Ermittlung der kritischen Rißaufweitung δ_c und Vergleich der an kleinen 1 CT-Proben ermittelten K_lc-Werte mit den Ergebnissen von 2 CT-Proben. Unterschiede zwischen den aus instrumentierten Kerbschlagversuchen ermittelten Ergebnissen und den an instrumentierten CT-Proben gemessenen K_ld-Werten. Darstellung der Rißzähigkeit K_lc in Abhängigkeit von der im Kerbgrund berechneten Dehngrenze.     

Einfluß der Temperaturführung bei Warmverdrehversuchen zur Beurteilung der Warmumformbarkeit von Stählen

Warmverdrehversuche bei Temperaturen zwischen 700 und 1300 °C an technisch reinem Eisen sowie den Stählen 51 CrV 4, X 12 CrNi 18, X 7 Cr 14, X 47 CrMo 15 2, X 38 CrMoV 51 und X 125 CrMoV 5 11 und acht Versuchsschmelzen mit 0,44 % C, rd. 1 % Si und abgestuften Gehalten von Chrom, Molybdän und Vanadin. Versuche nach Erwärmen von Raumtemperatur auf Versuchstemperatur und nach vorangehendem Überhitzen auf Temperaturen zwischen 1000 und 1300 °C. Einfluß von Gefügeänderungen und Ausscheidungsvorgängen. Zusammenhang zwischen der Anzahl der Umdrehungen bis zum Bruch und der Umformtemperatur bei gleichbleibendem Gefügezustand.     

Untersuchungen über Oberflächenerscheinungen,Versetzungsstrukturen und Bruchausbildung bei Ultraschall-Wechselbeanspruchung und Rekristallisation nach Beschallung an weichem Stahl

Vergleichende Untersuchungen über den Einfluß einer 20-kHz-Ultraschallbehandlung verschiedener Intensität bei Temperaturen zwischen 20 und 300 °C auf die Oberfläche, Versetzungsstruktur und Bruchausbildung eines unlegierten Stahles mit 0,036% C. Rekristallisation nach Beschallung auf steigende Rißlänge bzw. bis zum Bruch.     

Über die Zeitstandfestigkeit des Schweißgutes von Schweißverbindungen niedriglegierter warmfester Stähle

Durch Lichtbogenschweißen von Hand wird Schweißgut der niedriglegierten warmfesten Chrom-Molybdän-(Vanadin-)Stähle mit 2,25% Cr und 1% Mo sowie mit 0,5% Cr, 0,5% Mo und 0,25% V hergestellt. Ermittlung der mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur und der Zeitstandfestigkeit bei verschiedenen Temperaturen zwischen 550 und 625°C. Untersuchung des Gefügezustandes und der chemischen Zusammensetzung der elektrochemisch isolierten Carbide. Vergleich der ermittelten Zeitstandfestigkeiten mit den nach ISO-Empfehlungen für die Grundwerkstoffe vorgeschlagenen Werten.     

Einfluß von Restaustenit auf die Korngröße des Austenits nach der Reaustenitisierung von Stählen für schwere Schmiedestücke

Die Korngröße des Austenits nach der Reaustenitisierung von Stählen für schwere Schmiedestücke wurde in Abhängigkeit von der Art des Ausgangsgefüges, den Wiedererwärmungsbedingungen und den chemischen Zusammensetzungen untersucht. Besonders wurde der Einfluß von Restaustenit im Ausgangsgefüge auf die Korngröße des Austenits nach erneuter Austenitisierung betrachtet. Nach den Ergebnissen bleibt das Austenitkorn bei der Reaustenitisierung von Gefügen der Martensitstufe und der unteren Bainitstufe grob, wenn bei der Wiedererwärmung werkstoffabhängige Grenzerwärmungsgeschwindigkeiten unterschritten werden. Maßgeblich für eine mit zunehmender Erwärmungsgeschwindigkeit – in Abhängigkeit auch von den örtlichen chemischen Zusammensetzungen – mögliche Austenitkornverfeinerung ist das zeitabhängige Wachsen von Restaustenitfilmen zwischen den Kristalliten des Ausgangsgefüges in Konkurrenz zu den Anlaufzeiten für Keimbildung und -wachstum an den Grenzflächen Carbid/Ferrit. Ist wenig oder kein Restaustenit vorhanden, wie in einigen Gefügen der Bainit- bzw. der Perlitstufe, so entsteht der Austenit unabhängig von den Wiedererwärmungsbedingungen durch Neubildung und Wachsen von Austenitkeimen an den Grenzflächen Ferrit/Carbid. Unter den gegebenen Versuchsbedingungen entstand dabei immer ein feines Austenitkorn.