Einfluss einer zyklischen Belastung auf die Versprödungskinetik von Legierungen am Beispiel der 475°C-Versprödung von Duplexstahl und der dynamischen Versprödung einer Nickelbasislegierung

Abstract

Das Ziel der Arbeit war, den Einfluss einer Hochtemperaturermüdung auf Hochtemperaturversprödungen zu untersuchen. Dafür wurden die 475°C-Versprödung eines austenitischferritischen Duplexstahls und die dynamische Versprödung einer Nickelbasislegierung als Mechanismen ausgewählt.

Die 475°C-Versprödung tritt durch eine thermisch aktivierte Entmischung der ferritischen Phase auf, wodurch der Werkstoff verfestigt. Hingegen führt eine zyklische plastische Verformung zur verformungsinduzierten Auflösung der Entmischung mit dem Ergebnis einer Entfestigung. Ermüdungsversuche mit verschiedenen Frequenzen und Beanspruchgsamplituden bei Raumtemperatur und 475°C an Duplexstahl in verschiedenen Vorversprödungszuständen zeigen, dass bei 475°C-Ermüdung die voranschreitende 475°C-Versprödung und die verformungsinduzierte Auflösung zwei entgegenwirkende aber eigenständige Mechanismen sind. Es hängt von der Versuchsfrequenz, -amplitude und der Temperatur ab, welcher Mechanismus stärker auftritt. Durch eine Auswertung der Ermüdungsversuche mit dem Modell der Streckgrenzenverteilungsfunktion konnte das Ermüdungsverhalten für beide Werkstoffphasen getrennt untersucht werden. Das globale Ermüdungsverhalten wird für die geprüften Versuchsbedingungen primär von der ferritischen Phase bestimmt.

Nach der Modellvorstellung der dynamischen Versprödung führt eine Zugspannung bei hoher Temperatur zu einer Sauerstoffkorngrenzendiffusion, wodurch der Werkstoff schnell interkristallin versagt, während unter Vakuumbedingung ohne Sauerstoffdiffusion ein langsames transkristallines Versagen vorliegt. Zur Untersuchung der dynamischen Versprödung wurden Rissausbreitungsversuche bei 650°C mit verschiedenen Ermüdungsfrequenzen bzw. Haltezeiten bei maximaler Spannung durchgeführt. Aufbauend auf den Ergebnissen muss die Modellvorstellung der dynamischen Versprödung um den Einfluss der zyklischen plastischen Verformung erweitert werden. Durch eine Haltezeit bildet sich eine Schadzone vor der Rissspitze, bestehend aus einer Sauerstoffdiffusionszone, aus, die durch die Ermüdung zwischen zwei Haltezeiten aufbricht. In einem Modell konnte der Anteil interkristallinen Versagens (durch die dynamische Versprödung) und der Anteil transkristallinen Versagens (Ermüdungschädigung) mit den jeweiligen Bruchflächenanteilen korreliert werden.

The objective of this study was to investigate the dependence of high temperature embrittlement mechanisms on high temperature fatigue and vice versa. As model embrittlement mechanisms the 475°C Embrittlement of ferritic austenitic duplex stainless steel and the Dynamic Embrittlement of nickel-based superalloys were selected.

The 475°C Embrittlement is a thermally activated decomposition of the ferritic phase which hardens the material. In contrast to this a cyclic plastic deformation weakens the steel by a deformation-induced dissolution of the decomposition. Fatigue tests with different frequencies, loading amplitudes at room temperature and at 475°C with Duplex Stainless Steel in different states of embrittlement show that the ongoing 475°C Embrittlement and the deformation-induced dissolution are competing mechanisms. It depends on the frequency, the loading amplitude and the temperature which mechanism is dominant. Applying the model of the yield stress distribution function to the hysteresis branches of the fatigue tests allows an analysis of the fatigue behaviour of each phase individually. This analysis shows that the global fatigue behaviour for the test conditions applied in this study is mainly controlled by the ferritic phase.

According to the existing understanding of Dynamic Embrittlement it is an oxygen grain boundary diffusion arising by tensile stress at elevated temperatures with the result of a fast intercrystalline crack propagation. In reference tests under vacuum conditions without oxygen grain boundary diffusion, a slow transcrystalline fracture appears. To analyse the Dynamic Embrittlement, the crack propagation was tested at 650°C with different frequencies and superimposed hold times in the fatigue cycle at maximum stress. The results shows that the existing model of Dynamic Embrittlement needs to be adapted to the effects of cyclic plastic deformation. In hold times, the oxygen grain boundary diffusion in front of the crack tip builds a damage zone which cracks because of the cyclic plastic deformation between two hold times. In a model presented in this study the quantities of inter- (damage by Dynamic Embrittlement) and transcrystalline (damage by fatigue) fracture can be related to their ratio on the fracture surfaces. Therefore, the influence of high temperature fatigue on high temperature embrittlement depends on the embrittlement mechanism itself.