Einfluss von Eigenspannungen auf die Ermüdungsschädigungsentwicklung des martensitischen Federstahls 54SiCr6 im HCF-Bereich

Abstract

Diese Dissertationsschrift leistet einen Beitrag zur Aufklärung des Einflusses von Eigenspannungen auf die Ermüdungsschädigungsentwicklung des martensitischen Federstahls 54SiCr6 im Zeitfestigkeitsbereich. Die Ergebnisse der durchgeführten Ermüdungsversuche zeigen, dass die Ermüdungsschädigungsentwicklung mit der Bildung von parallelen Gleitbandscharen, deren Orientierung den Gleitebenen mit den höchsten Schmidfaktoren folgt, beginnt. Im weiteren Verlauf der Ermüdung bilden sich Rissnetzwerke an der Probenoberfläche aus, deren Rissdichte mit zunehmender Zyklenzahl und mit der Höhe der aufgebrachten Beanspruchungsamplitude ansteigt. Dabei können unter zyklischer Torsionsbeanspruchung höhere Rissdichten im Vergleich zur uniaxialen zyklischen Beanspruchung beobachtet werden. Die Initiierung der fatalen Risse erfolgt ausschließlich interkristallin entlang ehemaliger Austenitkorngrenzen mit anschließender interkristalliner und/oder transkristalliner Kurzrissausbreitung. Die Kurzrissausbreitung stellt die dominierende Phase der Lebensdauer dar und zeigt eine oszillierende Rissausbreitungsrate, welche einem Barriere-Effekt von ehemaligen Austenitkorngrenzen und Korngrenzen-Tripelpunkten geschuldet ist. Im Fall von zyklischer Torsionsbeanspruchung führt die vergleichsweise höhere Rissdichte zu einer häufig auftretenden Risskoaleszenz, welche sich ebenfalls in der Oszillation der Rissausbreitungsrate widerspiegelt. Durch das Einbringen von randschichtnahen Druckeigenspannungen wird im Allgemeinen eine höhere Lebensdauer erzielt. Die Rissinitiierung an der Probenoberfläche wird gehemmt, was zu geringeren Rissdichten führt. Des Weiteren verschiebt sich unter uniaxialer zyklischer Beanspruchung die Initiierung des fatalen Risses in das Werkstoffinnere, wo die Rissausbreitungsrate aufgrund der Vakuumbedingungen verringert wird. Die zyklischen Torsionsversuche an eigenspannungsbehafteten Proben liefern Hinweise darauf, dass der Übergang von der schubspannungsgesteuerten Kurzrissausbreitung in die normalspannungsgesteuerte Langrissausbreitung durch Druckeigenspannungen erschwert wird, was vermutlich zu den höheren Lebensdauern im Fall von eigenspannungsbehafteten Proben führt.

This work contributes to the elucidation of the influence of residual stresses on the fatigue damage evolution of the martensitic spring steel 54SiCr6 in the high cycle fatigue range. The results of the fatigue tests performed show that the fatigue damage evolution starts with the formation of parallel slip bands, whose orientation follow the slip planes with the highest Schmid factors. As fatigue progresses, crack networks form on the sample surface and their crack density rises with increasing number of cycles and the level of the applied stress amplitude. In this process, higher crack densities can be observed under cyclic torsional loading compared to uniaxial cyclic loading. Initiation of fatal cracks occurs exclusively intergranularly along prior austenite grain boundaries with subsequent intergranular and/or transgranular short crack propagation. The short crack propagation represents the dominating phase of the fatigue life and shows an oscillating crack propagation rate, which is due to a barrier effect of prior austenite grain boundaries and grain boundary triple points. In the case of cyclic torsional loading, the comparatively higher crack density leads to a frequently occurring crack coalescence, which is also reflected in the oscillation of the crack propagation rate. Generally, residual stresses lead to a higher fatigue life and crack initiation at the sample surface is inhibited, resulting in lower crack densities. Furthermore, under uniaxial cyclic loading, the initiation of the fatal crack shifts to the sample interior, where the crack propagation rate is reduced due to vacuum conditions. The cyclic torsion tests on shot peened samples provide evidence that the transition from shear stress controlled short crack propagation to normal stress controlled long crack propagation is impeded due to compressive residual stresses, which probably leads to the higher fatigue life in the case of shot peened samples.