Kriegsmann, Arne (2014)
Richtungsabhängiges Rissausbreitungsverhalten in Gradientenwerkstoffen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Ziel dieser Arbeit war es, das Rissausbreitungsverhalten in Gradientengefügen mit richtungsabhängigen Ermüdungseigenschaften zu charakterisieren. Durch Wärmebehandlung in einem Temperaturgradienten wurden in der Titanlegierung Ti-6Al-4V zwei unterschiedliche Gefügeübergänge sowie homogene Referenzproben für die unterschiedlichen Gefüge eingestellt. Es wurde ein Übergang von feinlamellarem zu duplex Gefüge und ein Übergang von groblamellarem zu globularem Gefüge erzeugt. Der Gefügeübergang feinlamellar duplex besteht aus einem homogenen feinlamellaren Bereich, an den sich ein Gradient mit zunehmendem Volumenanteil an alpha-Phase anschließt. Der Übergang von groblamellarem zu globularem Gefüge bildet einen abgegrenzten Übergangsbereich mit einer Länge von 4 mm aus. Der Übergangsbereich ist von zwei homogenen Bereichen mit lamellarem und globularem Gefüge umgeben. Dies ermöglicht die Ermittlung des Rissausbreitungsverhaltens im Übergangsbereich sowie des Einflusses des Risspfads auf die Rissschließung. Aus diesem Grund wurden die Ermüdungsexperimente an dem Gefügeübergang mit groblamellarem und globularem Gefüge durchgeführt. Durch Härtemessungen und Zugversuche wurden die einzelnen Gefügebestandteile in den Referenzproben charakterisiert und die Härte sowie das Fließverhalten der Gefügeübergänge gemessen. Es wird eine Methode entwickelt, mit der das Fließverhalten der Gefügeübergänge aus den Fließkurven der homogenen Gefüge berechnet werden kann. Der Vergleich aus berechneten und gemessenen Fließkurven der Gefügeübergänge zeigt, dass die Übergangsbereiche keinen signifikanten Einfluss auf die Entwicklung der Fließkurven haben. Zur Ermittlung des Rissausbreitungsverhaltens wurden CT-Proben mit Referenzgefügen und mit Gefügeübergang in der Mitte der Probe (W/2) gefertigt und in einer servohydraulischen Prüfmaschine schwingend belastet. In den Referenzgefügen wurden da/dN-DK Kurven aufgenommen, die zur Minimierung der Streuung der Messwerte in einem iterativen Prozess mit der Paris Gleichung angepasst wurden. Die Proben mit Gefügeübergang wurden in zwei Rissausbreitungsrichtungen mit konstantem DK belastet und die Rissausbreitungsgeschwindigkeit sowie die Rissschließung richtungsabhängig ermittelt. Durch elektronenmikroskopische Untersuchungen der Bruchflächen und Lastabsenkungen unter Ausnutzung des load history Effekts bei plastizitätsinduzierter Rissschließung konnte ein Wechsel im Rissausbreitungsmechanismus und damit im Rissschließmechanismus von rauigkeitsinduziert im lamellaren Bereich der Probe zu plastizitätsinduziert im globularen Bereich der Probe nachgewiesen werden. Es konnte gezeigt werden, dass bereits geringe Anteile an globularem Gefüge im Übergangsbereich die rauigkeitsinduzierte Rissschließung des lamellaren Gefüges absenken, sowie geringe Anteile an lamellarem Gefüge die plastizitätsinduzierte Rissschließung des globularen Gefüges anheben. Der Gefügeübergang zeigt richtungsabhängig unterschiedliche Verläufe der Rissschließbelastung über dem Ort im Gradienten. Breitet sich der Riss vom groblamellaren Gefüge in das globulare Gefüge aus, ist Kop im Übergangsbereicht deutlich höher als bei der Ausbreitung in umgekehrter Richtung. Dadurch ergibt sich eine Richtungsabhängigkeit der Rissausbreitungsgeschwindigkeit. Der Riss breitet sich schneller vom globularen in Richtung des groblamellaren Gefüges als in umgekehrter Richtung aus. Durch sukzessive Entfernung des Risspfads und Messung von Kop in Abhängigkeit des verbleibenden Risspfads konnte gezeigt werden, dass durch den starken Rückgang der Rauigkeit im Übergangsbereich das lamellare Gefüge die Rissschließbelastung noch mehrere Millimeter hinter der Rissspitze beeinflusst. Analog zum load history Effekt tritt hier bei konstanter Belastung ein history Effekt auf, der durch eine Änderung der Rauigkeit und damit durch den Gefügegradient hervorgerufen wird.

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