Schwingfestigkeit (Fach) / 4. Einfluss der Mikrostruktur auf die Ermüdungsfestigkeit (Lektion)

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• 1. !!! Beschreiben Sie den prinzipiellen Ablauf eines Ermüdungsvorgangs. Anfangsbereich I: Verfestigungs-, Entfestigungs- oder kombinierte Verfestigungsvorgänge und Entfestigungsvorgänge Rissbildungsbereich II: Verlagerung der für den Ermüdungsvorgang wesentlichen plastischen Verformungen vom gesamten verformbaren Probenvolumen hin zu den oberflächennahen Probenanteilen (Mikrorissspitzen).  Rissausbreitungsbereich III: Von diesen Rissen breitet sich dann meist einer, der normalspannungsmäßig bevorzugte, dominant aus und entwickelt sich zum Makroriss. Danach finden alle weiteren Ermüdungsprozesse überwiegend in der sog. plastischen Zone vor der Rissspitze dieses Risses statt. Die streng lokalisierte Rissausbreitung erfolgt stabil mit einem definierten Risslängenzuwachs pro Lastspiel über einen relativ großen Lebensdauerbereich. Ermüdungsbruch IV:Ist eine hinreichend große Querschnittsfläche vom Ermüdungsriss durchlaufen, so reicht schließlich das erste Viertel eines weiteren Lastwechsels aus, um den Ermüdungsbruch durch instabile Rissausbreitung zu erzwingen.
• 2. Beschreiben Sie den Kristallaufbau von Metallen. In welcher Gitterstruktur kristallisieren Metalle? Metall und deren Legierungen sind kristallin aufgebaut. Anordnung und Position der Atome sind durch den Kristallgittertyp festgelegt. 90% von Metallen kristallisieren in drei Gitterstrukturen: krz (α-Fe, Cr, V, W, Mo) kfz (γ-Fe, Al, Cu, Ni) hex (Mg, Ti, Be) Skript S. 4-10
• 3. Was sind Gleitsysteme? Warum sind sie wichtig für die plastische Verformung? Eine Gleitebsystem ist definiert durch eine Gleitebene und eine Gleitrichtung. Plastische Verformung im kristallinen Werkstoff erfolgt in Form einer Abgleitung auf bestimmten kristallografischen Ebenen (Gleitebenen) und dabei in bestimmte kristallografische Richtungen (Gleitrichtung). Gleitebenen sind dichtest gepackte Ebenen, Gleitrichtungen sind Richtungen mit geringstem Atomabstand, d.h. dichtest gepackte Richtungen.
• 4. !!! Wie erfolgt die plastische Verformung von metallischen Werkstoffen? Plastische Verformung erfolgt durch abgleiten von Atomschichten in dichtest gepackten Ebenen in dichtest gepackte Richtungen Abscherung zweier Gitterebenen gegeneinander ist ein mikroskopischer Elementarprozess der plastischen Verformung. Sie erfolgt durch Abgleiten einer Versetzung in der Gleitebene. Versetzungen sind die Träger der plastischen Verformungen.
• 5. !!! Beschreiben Sie den planaren und welligen Versetzungsgleitcharakter. Versetzungsgleitcharkter... Wichtiger Parameter für die bei Wechselverformung entstehende Versetzungsanordnung. Größe, die ein Maß für die Toleranz, dass sich in einem Werkstoff eine Dreidimensionale räumliche Versetzungsanordnung ausbildet. Die klassische Betrachtung für die Ursache der Art des in einem Werkstoff vorherrschenden Gleitcharakter führt auf die Stapelfehlerenergie als entscheidende Größe. planerer Versetzungsgleitcharakter: Bei planaren Gleitverhalten liegen planaere Versetzungen in Form parallel zueinander ausgerichteter Stufenversetzungen im gesamten Beanspruchungsbereich vor. welliger Versetzungsgleitcharakter: äußert sich in einer räumlichen Versetzungsanordnung. Diese hängt sehr stark von der Beanspruchungsamplitude ab.
• 7. Was sind persistente Gleitbänder (PGB)? Welche Bedeutung haben PGB für die Wechselverformung? Persistente Gleitbänder sind Bereiche scharfer Versetzungsanordnungen, in denen das Material leichter verformbar ist als die umgebende Matrix. Dort konzentriert sich die plastische Verformung. (Plastische Scheramplitude in PGB etwa 100 mal größer als in der Umgebung) Der Durchtritt solcher Gleitbänder an die Oberfläche sind häufig Ausgangspunkt für Ermüdungsrisse.
• 6. !!! Beschreiben Sie die Versetzungsstrukturen in charakteristischen Zuständen der ZSD-Kurve von Kupfereinkristallen. Skript S. 4-29 Zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve von Kupfereinkristallen Bereich A: Sättigungsschubspannung nimmt mit zunehmender Scherdehnungsamplitude zu. Bei kleinen Amplituden der plastischen Scherung lagern sich die Versetzungen zu Bündeln oder Flecken zusammen. Mit zunehmenden Scheramplituden steigt der Volumenanteil der Bündel, die eine längliche, zylinderförmige Gestalt annehmen. Bereich B: Trotz Veränderung der Scherdehnungsamplitude um mehr als zwei Zehnerpotenzen bleibt die Sättigungsspannungsamplitude konstant. Dunkel erscheinende Bündel und Adern sind Stufenversetzungslinien. Helle Bereiche sind versetzungsarme Kanäle. Das Plateau in der ZSD-Kurve entsteht dadurch, dass die zunehmende plastische Gesamtscherdehnungsamplitude durch eine Erhöhung des PGB-Volumenanteils aufgenommen wird. Die PGB treten an der Oberfläche aus und bilden dort Gleitlinien. Aufgrund der hohen Gleitaktivität der PGB entwickeln die resultierenden Oberflächenbänder eine starke Rauheit, so dass der Werkstoff herausgedrückt oder hineingedrückt erscheint. Diese Rauheit führt zu Spannungsüberh.hungen und kann für die Rissbildung verantwortlich sein. Bereich C: Erst bei ca. 1 % Scherdehnungsamplitude steigt die Sättigungspannung wieder an. Ausgehend von PGB, die nahezu 100 % des Volumens ausfüllen, entsteht durch Gleitung auf einem zweiten Gleitsystem (sekundäre Gleitung) eine Zellstruktur. Es bilden sich längliche Zellen aus, deren Geometrie in der Gleitebene an die Wandstruktur der PGB erinnert. Die typische Leiterstruktur der PGB ist nicht mehr beobachtbar.
• 8. !!! Erklären Sie, auf Basis der mikrostrukturellen Veränderungen bei Raumtemperatur, das Wechselverformungsverhalten von: - unlegierten Kohlenstoffstählen - austenitischen Cr-Ni Stählen Wechselverformungsverhalten von unlegierten Kohlenstoffgehalten: Das Wechselverformungsverhalten unlegierter normalisierter Stähle (krz) wird ganz entscheidend von dem vorliegenden Mikrogefüge bestimmt. Eine gezielte Variation der Wärmebehandlung, insbesondere der Austenitisierungs-temperatur, der Austenitisierungszeit sowie der Abkühlgeschwindigkeit, bietet die Möglichkeit, die Struktur von Ferrit und Perlit und damit die zyklischen Verformungseigenschaften gezielt zu verändern. Schnellere Abkühlungen führen beispielsweise zu größerer Unterkühlung des Austenits und damit zu kleineren Ferritkorngrößen und kleineren Zementitlamellenabständen. Darüber hinaus wirkt die schnellere Abkühlung der Ausbildung eines Gleichgewichtszustandes entgegen, so dass in den Ferritbereichen höhere Kohlenstoffkonzentrationen auftreten. Wechselverformungsverhalten von austenitischen Cr-Ni Stählen: Das Wechselverformungsverhalten austenitischer Cr-Ni Stähle wird durch die Phänomene der zwillingsinduzierten Plastizität, verformungsinduzierten Austenit-Martensit-Phasen-Umwandlung geprägt. Zur Beurteilung des bei Raumtemperatur vorliegenden Gefüges kann das Schaeffler Diagramm verwendet werden. Siehe Skript zum Labor "Werkstoffprüfung" S. 34 ff.
• 9. !!! Erklären Sie, auf Basis der mikrostrukturellen Veränderungen den Einfluss des Lamellenabstandes im Zementit auf das Wechstelverformungsverhalten von unlegierten Kohlenstoffstählen. Großer Einfluss des Lamellenabstandes im Zementit auf Versetzungslaufwege, Inkubationszeit, plast. Dehnungsamplitude und Bruchlastspielzahl. Mit steigendem Lamellenabstand sinkt die Inkubationszeit und die Bruchlastspielzahl; steigt die plast. Dehnungsamplitude.
• 10. !!! Erklären Sie den Einfluss der Beanspruchungstemperatur auf das Wechselverformungsverhalten von unlegierten Kohlenstoffstählen. 293<T<550K:Steigende T führen zu höherer Beweglichkeit der Versetzungen und damit zu größeren Verformungen, Abnahme der Inkubationsphase --> Lebensdauerverkürzung ca. 600K:Wechselwirkung zwischen Gleitversetzungen und Interstitionsatomen--> dynamische Reckalterungsprozesse T>600KZunehmend dynamische Erholungsprozesse mit großen Werten von εa,p; starke zyklische Entfestigung --> Lebensdauerverkürzung
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• Teilchenverfestigung Vor der zyklischen Beanspruchung: Teilchen der härtenden zweiten Phase nicht zu beobachten, dunkle Partikel sind relativ große, für die Festigkeit unwesentliche Dispersoide, die während der Lösungsglühung nicht aufgelöst werden. Nach der zykl. Beanspruchung: Kleine, gleichmäßig verteilte Ausscheidungen, die während der Wechselbeanspruchung gebildet werden und eine starke Behinderung für die gleitenden Versetzungen darstellen.+ Skript S.60 ff.

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