Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr. 1826
Herausgegeben
im Auftrage des Ministerpriisidenten Heinz Kuhn
von Staatssekretiir Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
DK 539.378:620.178.322.3:669.15-194.56
Dr. phil. nat. Max Hempel
Max-Pianck-lnstitut fiir Eisenforschung, Dusseldorf
Verformungserscheinungen an der Ober.flache
biegewechselbeanspruchter austenitischer
Stahlproben bei Raumtemperatur
SPRINGER F ACHMEDIEN WIESBADEN GMBH 1967
ISBN 978-3-663-12798-7 ISBN 978-3-663-14277-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-14277-5
Verlags-Nr. 011826
© 1 9 6 7 b y Springer Fachmedien Wiesbaden
Urspriinglich erschienen bei Westdeutscher Verlag, Koln und Opladen 19 67
Inhalt
1. Einleitung
0 0 0 0 0 0 0 0 0 o 0 o o 0 0 o o 0 o o 0 o o 0 o o 0 0 o 0 0 o 0 0 o o 0 o o 0 o o 0 o o 0 o o o o o o 0 7
V ersuchsdurchfiihrung 9
20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
V ersuchswerkstoffe 9
2ol 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Priifstabformen und Oberfliichenbehandlung
202 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 13
Priifeinrichtung und V ersuchsverfahren
203 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 14
Versuchsergebnisse
30 o 0 o o 0 o 0 0 o o 0 o o o o o 0 0 0 o 0 o o 0 o 0 0 o o 0 o o o o o 0 o o o o o o 0 o o 0 16
Versuchseinzelwerte unter Dauerschwingbelastung
301 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 16
Wohler-Linien und Auftreten der ersten Gleitspuren
3o2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 16
Gleitspuren und RiBbildung
303
in Abhiingigkeit von den Beanspruchungsbedingungen
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 22
Werkstoff X CrNiMoNb
30301 8 15 15 0 o o 0 o 0 0 0 0 0 0 0 0 o 0 0 o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o 0 0 22
Werkstoff X CrNi 9
3o3o2 5 18 0 0 o 0 0 o 0 0 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 0 33
Werkstoff X MnCr
3o3o3 40 18 0 0 o 0 0 o o 0 o o 0 o o 0 o 0 0 o 0 0 o o 0 o o 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 0 43
Werkstoff X MnCr
3o3.4 40 23 o o o o o o o 0 o o o o o 0 o o 0 o 0 0 0 o 0 o o o 0 o 0 0 0 0 0 0 0 0 48
Zusimmenfassung
4o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 55
Literaturverzeichnis
5o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 57
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1. Einleitung
Zur Klarung des Mechanismus von Dauerbriichen metallischer Werkstoffe ist
besonders die Kenntnis von drei Teilvorgangen wichtig [1 ], und zwar die Vor
gange, die vor der Einleitung von Anrissen im Werkstoff auftreten, die Bildung
von Anrissen selbst und schlieGlich deren Ausbreitung. Im letzten Fall wird meist
die RiBfortpflanzungsgeschwindigkeit, Rif3tiefe bzw. -lange unter Anwendung
verschiedener Verfahren [2, 3] in Abhangigkeit von Beanspruchungshohe und
-dauer untersucht [3-6]. Zum Nachweis von Dauerbruchanrissen werden sowohl
Atz- und Korrosionsverfahren [7, 8] als auch Schwefelabdruck- [9] und Blasen
Verfahren [10, 11 ], ferner magnetische [4, 12-15], elektrische [13, 16] und metallo
graphische Verfahren [17, 18] sowie Fluoreszenz- [19-22] oder Farbdiffusions
Verfahren [23] und radioaktive Indikatoren [24, 25] benutzt. In neueren Arbeiten
wird der Versuch unternommen, die Rif3ausbreitung an gebrochenen Schwin
gungsproben mit Hilfe der Mikrofraktographie zu bestimmen [26, 27].
Dampfungsmessungen [28-30], rontgenographische [31-33] und metallographi
sche Untersuchungen [34] an schwingungsbeanspruchten Proben lassen erkennen,
daf3 vor allem bei Belastungen oberhalb der Wechselfestigkeit bereits nach sehr
kurzen Laufzeiten- von etwa 1% der Gesamt-Lebensdauer bis Versuchsende
Eigenschaftsanderungen auftreten, die auf bleibende V erformungen einzelner
Kristallite oder eines Kristallit-Haufwerks hindeuten, ohne daf3 eine Anrif3bildung
festzustellen ist. In welcher Weise diese Storungen im Kristallgitter mit der Ein
leitung von Dauerbruchanrissen verkniipft sind, ist noch nicht bekannt. Unter
suchungen zur Aufklarung eines derartigen Zusammenhanges mit Hilfe metallo
graphischer Beobachtungen und theoretischer Oberlegungen sind an verschie
denen Forschungsstellen noch in vollem Gange. Im letzten Fall erstrecken sich die
Betrachtungen auf die Bildung von Leerstellen sowie auf die Wanderung, das
Zusammenlaufen und Auflosen von Versetzungen [35-41].
Die Untersuchungen der Verformungsvorgange an der Oberflache schwingungs
beanspruchter Proben mit Hilfe des Licht- und Elektronenmikroskops sind am
besten geeignet, eine Entscheidung iiber die den wirklichen Verhaltnissen ent
sprechende V orstellung der Anrif3bildung zu geben; denn bei den sich standig
wiederholenden W echselgleitungen erleiden die Kristallite eine V erformung, die
durch das Auftreten von V erformungsspuren oder Gleitlinien sichtbar wird. Die
einzelnen Gleitlinien stellen die Spuren der bei der Verformung betatigten Gleit
ebenen dar. Je nach Werkstoff, Beanspruchungshohe und -dauer konnen feine,
submikroskopische Risse in einzelnen Gleitlinien beobachtet werden, die sich im
Laufe der Wechselbeanspruchung dann zu Mikro- und Makrorissen ausdehnen
[18]. Das Auftreten von Gleitungen im Gefiige von gegliihten, wechselbean
spruchten Al-Kristallen und Fe-Vielkristallproben wurde erstmalig von J. A.
7
EwiNG und J. W. C. HuMFREY [4 2] durch metallographische Beobachtung der
polierten Probenoberflache mit Hilfe des Lichtmikroskops gefunden und spater
durch weitere Untersuchungen [34] unter Verwendung von Licht-und Elektronen
mikroskop bestatigt. Fiir diese Untersuchungen wurden We1'kstoffe verschiedener
Kristallsysteme verwendet, und zwar Eisen und Stahle mit k.r.z. Gitter [1, 18,
42-46], ferner Al, Cu, Ni und Ag mit k.f.z. Gitter [44, 47-53], Zink [44] und
Rein-Titan [54] mit hexagonalem Gitter sowie Antimon und Wismut mit rhombo
edrischem Gitter [44].
Bei der Untersuchung der Gleitvorgange unter Wechselbelastung an den ge
nannten k. f. z. Werkstoffen wurden vielfach Spannungsamplituden verwendet, die
tiber der statischen Streckgrenze liegen, bei denen sich also die Gleitverfor
mungen aus zwei Teilvorgangen zusammensetzen, und zwar den Gleitungen beim
Uberschreiten der Streckgrenze durch das Kaltrecken und den Gleitungen infolge
der standigen Wechselverformungen wahrend des Dauerschwingversuches. Zur
eindeutigen Klarung der Gleitvorgange an derartigen Werkstoffen sollten daher
solche benutzt werden, deren Wechselfestigkeitswerte unter der statischen Streck
grenze liegen. Aus diesem Grunde wird in vorliegender Untersuchung tiber die
an austenistischen Stahlen des k. f. z. Gittertyps unter W echselbelastung in Ab
hangigkeit von den Beanspruchungs bedingungen auftretenden V erformungser
scheinungen berichtet.
8
2. V ersuchsdurchfuhrung
2.1 V ersuchswerkstoffe
Fur die vorliegendcn Untersuchungen wurden zwei austenitischc CrNi-Stahle
(X 8 CrNiMoNb 15 15 und X 5 CrNi 18 9) sowie zwei austenitische MnCr
Stahle (X 40 MnCr 18 und X 40 MnCr 23) verwendet. Der Versuchswerkstoff
X 8 CrNiMoNb 15 15 lag in Stangenform mit 30 mm Dmr. vor. Zur Gewin
nung von Flachmaterial hir die Anfertigung der Biegeschwingungsproben wurden
250 mm lange Rundstangenabsch!'ittc :mf eine Dicke von 4 mm warm ausge
walzt und in Langen von 100 mm unterteilt; die Rohlinge mit den Abmessungen
n
4x35x 100 mm3 wurden h bei 1050°C gegliiht und anschliel3end an Luft ab
gekiihlt. Der in Kni.ippelform mit 50 mm dJ vorliegende Werkstoff X 5 CrNi 18 9
wurde bei 900-1000°C auf eine Dicke von 20 mm ausgeschmiedet und danach
auf eine Dicke von 4,5 mm warmgewalzt; die fertig bearbeiteten Proben wurden
n
h bei 1000° C im Vakuum gegliiht und an Luft abgeki.ihlt.
Die Probenrohlinge des Versuchswerkstoffs X 40 MnCr 18 lagen in Blechform
mit dnen Abmessungen 4 X 40 X 100 mm3 vor und war en einer Gliihbehandlung
von h bei 1000° C im Vakuum mit anschliel3ender Ofenabkiihlung unterworfen
worden. Die Rohlinge des austenitischen MnCr-Stahles X 40 MnCr 23 lagen in
Form von Rundstaben mit 12 mm Dmr. vor; sie wurden bei 950°C auf 4 mm
n
Dicke abgewalzt und anschliel3end h bei 1000° C im Vakuum mit Ofenab
ki.ihlung warmebehandelt. Ein Abschrecken der Probenrohlinge der heiden auste
nitischen MnCr-Stahle von 1000°C in Wasser fiihrte zur Bildung von zahlreichen
Zwillingen im Gefi.ige, die auch nach starkerem Abatzen (rd. 0,3-0,5 mm) noch
nicht beseitigt waren.
Die chemische Zusammensetzung der vier austenitischen Werkstoffe ist in Tab. 1
aufgefiihrt, und die aus Zugversuchen und Hartemessungen bei Raumtemperatur
gewonnenen mechanischen Kennwerte sind in Tab. 2 enthalten.
Die Aufnahmen von Langsschliffen im ungeiitzten Zustand, Abb. 1, lassen Art
und Verteilung der Einschliisse erkennen. Diese sind in den heiden austenitischen
CrNi-Stahlen nahezu gleichmaf3ig und fein verteilt angeordnet, liegen dagegen in
den austenitischen MnCr-Stahlen in gri:iberer Ausbildung und in i:irtlichen Be
reichen angereichert vor. Das Gefi.ige der Versuchswerkstoffe gibt Abb. 2 wieder.
Wahrend der austenitische CrNi-Stahl mit Mo- und Nb-Zusatz (X 8 CrNiMo
Nb 15 15) eine feinki:irnige Gefi.igeausbildung aufweist, zeigen der Stahl X 5 Cr
Ni 18 9 und die austenitischen MnCr-Stahle eine sehr grobe Ausbildung der
Austenitki:irner.
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02 N2 Cu % % % 0,16 0,117 -----0,43 ------0,16 -------0,013 0,005 Harte2 HB (51750130) Mittel-Bereich wert 167-170 168 128-140 131 184-212 199 168-177 172
INbiTa % 1,05 < 0,02 - - Reifi-stigkeit an 2 glmm - 112 151 178
e k
I f
2 -
Ti % - < 0,0 - - nschniirung ~ % 64,0 55,5 42,0 61,0
v Ni Mo 0/ % % /0 15,8 2,12 0,07 ----< 10,7 0,53 0,02 ----< 0,04 0,11 0,03 ----< 0,05 0,03 0,01 Zugversuchel Dehnung EiZug-estigkeit (05) 010 aB kglmm2 % 68,2 (35,0) (61,5) 57,0 90,7 55,0 78,2 65,0
f
s Cr % % 0,017 15,8 ----0,023 17,75 ----1,87 0,007 ----0,004 3,42 0,2-Grenze ao,2 kglmm2 33,1 23,2 35,1 23,2 proben.
b. 1 Chemische Zusammensetzung der Versuchswerkstoffe Werkstoff I I I C I Si Mn P % % % % 8 15 15 CrNi1,0M2o Nb 0,07 0,72 0,022 ------5 18 9 1,30 0,06C rNi0 ,50 0,040 ------40 18 Mn0,Cr4 5 19,05 0,059 0,34 ------40 0,65 232 3,6 0,32 MnCr 0,060 b. 2 Mechanische Kennwerte der Versuchswerkstoffe (Zugversuche und Hirtemessungen) BeWhearnkdsltuofnfg c % 8 15 15 Cr1N0i50M° oNb hI Luft Y2 I 5 18 9 CrNi 1000° h C VakuumiOfen Yz I 40 18 M1n00C0r° h C VakuumiOfen Yz I 40 23 MnCr 1000° h C VakuumiOfen 3-4 Mittelwerte aus Versuchen. Werte a1us0 -j1e 5 vier Einzelmessungen an Schwingungs
Ta X X X X Ta X X X X 1 2
0
1---i 100 flffi
...
.·.
0
a) X 8 CrNiMoNb 15 15 b) X 5 CrNi 18 9
...
;: ~.~ ..
··~·:.... ...
c) X 40 MnCr 18 d) X 40 MnCr 23
Abb. 1 Lingsschliffe der Versuchswerkstoffe im ungeatzten Zustand (100: 1)
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