Kurzrissausbreitung und die mikrostrukturellen Einflussgrößen im martensitischen Vergütungsstahl 50CrMo4

Koschella, Kevin; Seifert, Thomas; Krupp, Ulrich

doi:HT031230165

Kurzrissausbreitung und die mikrostrukturellen Einflussgrößen im martensitischen Vergütungsstahl 50CrMo4

Koschella, Kevin^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Kevin Koschella, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Krupp, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH* ; Seifert, Thomas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-06-26

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-06398
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1015497/files/1015497.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kurzrisswachstum (frei) ; Martensit (frei) ; Materialermüdung (frei) ; fatigue (frei) ; martensite (frei) ; short crack propagation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Diese Arbeit behandelt Frage wie eine Charakterisierung des mikrostrukturellen Kurzrisswachstums innerhalb eines martensitischen Gefüges durchgeführt werden kann. Zur Beantwortung erfolgt eine detaillierte Analyse der Rissausbreitung und Interaktion mit den zugrundeliegenden Strukturgrenzen. Im Rahmen von experimentellen und numerischen Untersuchungen werden daher sehr kurze Ermüdungsrisse unter einem Spannungsverhältnis von R = -1 im Werkstoff 50CrMo4 in einem vergüteten und martensitischen Zustand umfassend analysiert. Für die experimentellen Analysen wird hierzu eine in-situ-Prüfmethodik vorgestellt, welche eigens für die Dokumentation des Rissfortschritts ausgehend von künstlichen Anrissen unter zyklischer Beanspruchung entwickelt wurde. Parallel hierzu werden makroskopische Rundproben mit einem flachen Kerbbereich vorgestellt, wobei innerhalb dieser Kerbfläche eine oder mehrerer Mikrokerben mittels fokussiertem Ionenstrahl eingebracht wurden. Über die synergetische Verbindung von Daten zur kristallographischen Struktur vor Beanspruchung mittels Rasterelektronenmikroskopie, den Rissfortschrittsmessungen in-situ mittels Lichtmikroskopie, sowie nachgeschalteten post-mortem Untersuchungen der Schädigungen mittels Rasterelektronenmikroskopie, wird eine neue Datentiefe der Analyse erreicht. Zur Erweiterung des Datenraums wird darüber hinaus auf Statistiken zur räumlichen Lage der martensitischen Strukturgrenzen aus der Literatur zurückgegriffen. Abgesehen von einer parallelen Ausrichtung der plastischen Deformationen zu kristallographischen Primärgleitsystemen, zeigen auch die Ermüdungsrisse diese klare transkristalline Ausrichtung. Ausgehend von der Zusammenführung aller ermittelten Daten und den zusätzlichen statistischen Daten, lassen sich daraus geometrische Parameter zur Beschreibung der Interaktion von Gleitsystemen ableiten. Dabei zeigt der Differenzwinkel zwischen den Gleitsystemen auf der Korngrenzebene die deutlichste Korrelation mit der gemessenen Barrierewirkung. Die hierbei ermittelte Barrierewirkung basiert auf der relativen Wachstumsverzögerung einhergehend mit jedem Risstransitereignis über Korngrenzen. Ausgehend von diesen Erkenntnissen folgt die Entwicklung eines numerischen Rissfortschrittmodells basierend auf einem zweidimensionalen Randelementemodell. Hierfür werden zunächst über eine Gegenüberstellung ausgewählter Barrierenmodellierungen alle entscheidenden Modellcharakteristiken detailliert untersucht und bewertet. Aus diesen Erkenntnissen folgt die Implementierung zweier Modelle. Hierzu erfolgt die Anwendung eines Modells welches die Anwesenheit einer idealisierten Versetzungsquelle umfasst und eines welches die energetisch-geometrische Beschreibung einer Linienversetzung und deren Ausbreitungsstabilität nutzt, um eine Barrierewirkung zu abzubilden. Hinsichtlich der Charakteristik der sich abbildenden Kurzrissausbreitung ergibt sich für das Versetzungslinienmodell die deutlich höhere Übereinstimmung beim Vergleich der Rissfortschrittsdaten und den Barrierekennwerten. Abschließend zeigt sich jedoch, dass die durchgeführten Analysen und Ergebnisse zum aktuellen Zeitpunkt trotz des erreichten Detailgrads noch keine finale Schlussfolgerung über alle wirkenden Barriereparameter zulässt. Mit Blick auf die zugrundeliegende Komplexität der martensitische Mikrostruktur werden hieraus erweiterte Untersuchungen empfohlen.

This work aims to clarify fundamental issues for the characterization of microstructural short crack growth within a martensitic microstructure. This includes the detailed analysis of crack propagation and interaction with the underlying structural boundaries. Fatigue cracks under a stress ratio of R = -1 in the material 50CrMo4 in a quenched and tempered condition are comprehensively analyzed within the framework of experimental and simulative investigations. For the experimental analyses, an in-situ testing method is introduced, which was solely developed for the documentation of crack propagation based on artificial cracks under cyclic loading. Parallel to this, macroscopic round specimens with a flat notched area are presented, whereby one or more micro-notches were manufactured within this area by using focused ion beam technique. The synergetic combination of data on the crystallographic structure before loading by means of scanning electron microscopy, the crack propagation measurements in-situ by means of light microscopy, as well as subsequent post-mortem examinations of the damage by means of scanning electron microscopy, achieves a new depth of data for analysis. In addition, statistics on the spatial position of the martensitic structural boundaries from the literature are used to expand the data space. Apart from a parallel alignment of the plastic deformations to crystallographic primary slip systems, the fatigue cracks also show this clear transgranular alignment. Based on the combination of all the data obtained and the additional statistical data, geometric parameters can be derived to describe the interaction of slip systems. The difference angle between the slip systems at the grain boundary level consistently shows the clearest correlation with the measured barrier effect. The barrier effect determined here is based on the relative growth retardation associated with each crack transit event across grain boundaries. Based on these findings, a numerical crack propagation model based on a two-dimensional boundary element model is developed. For this purpose, all decisive model characteristics are first examined and evaluated in detail by comparing selected barrier models. The independent implementation of two models follows from these findings. For this purpose, a model is applied which includes the simple presence of an idealized dislocation source and one which uses the energetic-geometric description of a line dislocation and its propagation stability to simulate a barrier effect. With regard to the characteristics of the short crack propagation depicted, the dislocation model results in significantly higher agreement when comparing the crack propagation data and the barrier parameters. In conclusion, however, it can be seen that despite the level of detail achieved, the analyses and results obtained do not yet allow a final conclusion to be drawn about all the effective barrier parameters. In view of the underlying complexity of the martensitic microstructure, further investigations are recommended.

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