Microstructural characterization of white etching cracks in 100Cr6 bearing steel with emphasis on the role of carbon

Mayweg, David; Raabe, Dierk; Mayer, Joachim

doi:HT020904696

Microstructural characterization of white etching cracks in 100Cr6 bearing steel with emphasis on the role of carbon

Mayweg, David^RWTH*

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. David Mayweg

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Raabe, Dierk (Thesis advisor)^RWTH* ; Mayer, Joachim (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-02-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-02467
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/815142/files/815142.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
atom probe tomography (frei) ; scanning electron microscopy (frei) ; severe plastic deformation (frei) ; transmission electron microscopy (frei) ; white etching cracks (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
White etching cracks (WECs) sind charakteristische Merkmale für ein frühzeitiges Versagen, das unter Rollkontaktermüdungsbedingungen mit sehr hohen Lastspielzahlen („giga cycle fatige“ > 109 Lastspiele) auftritt. Diese Problematik betrifft insbesondere Wälzlager, kann mitunter jedoch in ähnlicher Form auch in anderen Anwendungsfällen wie etwa in Bahnschienen auftreten. Der am stärksten betroffene Anwendungsfall sind Wälzlager in Getrieben von Windkraftanlagen. Eine bedeutende Anzahl der betroffenen Wälzlager besteht aus dem hochkohlenstoffhaltigen Standardwälzlagerstahl 100Cr6 und vergleichbaren Güten, die in bainitischem Zustand eingesetzt werden. Kennzeichnend für WECs sind mikrostrukturelle Veränderungen, die als white etching areas (WEAs) bezeichnet werden. Dabei handelt es sich um nanokristalline ferritische Bereiche, die unmittelbar an die Risse angrenzen und eine Breite von wenigen 10 nm bis zu einigen µm aufweisen. Das namensgebende weiße Erscheinungsbild im Lichtmikroskop ist der – im Vergleich mit der unveränderten Matrix – gesteigerten Resistenz gegenüber dem Angriff bei der metallographischen Ätzung geschuldet. Nach derzeitigem Kenntnisstand gehen oberflächennahe WECs in Großwälzlagern von nicht metallischen Einschlüssen aus, die aus dem Herstellungsprozess des Roheisens stammen. Wenn Risse entstanden sind und sich fortpflanzen, kommt es, bedingt durch die Scherspannungsanteile infolge der zyklischen Lasten, zu einer wechselnden Relativbewegung der Rissflächen. Da Risskontakte reibungsbehaftet sind, führt dies bei hohen Lastspielzahlen zu extremen plastischen Dehnungen, die die Zersetzung der initialen Mikrostruktur herbeiführen. In Ermangelung eines detaillierten Verständnisses der mikrostrukturellen Veränderungen auf der Nanoskala ist eine Erklärung des frühzeitigen Versagens basierend auf dem Stand der Technik nicht möglich. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, mittels detaillierter mikrostruktureller Analysen einen Beitrag zu leisten, um das grundlegende Verständnis der Entstehung von WECs sowie der durch sie bedingten Schäden zu verbessern. Zu diesem Zweck wurde der Innenring eines Planetenradlagers aus einem Windkraftanlagengetriebe untersucht. Die Charakterisierung erfolgte auf Längenskalen von einigen Millimetern bis zur nahatomaren Größenordnung. Kristallografische Informationen wurden unter Zuhilfenahme der Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie ermittelt. Die lokale chemische Zusammensetzung wurde mit spektroskopischen Methoden wie beispielsweise Röntgenspektroskopie und Atomsondentomographie bestimmt. Der Kohlenstoffgehalt in WEAs entspricht, entgegen der üblichen Annahme, nicht der nominellen Zusammensetzung der Legierung. Stattdessen weisen WEAs im Vergleich zum nominellen Gehalt in großen Teilen eine Verarmung an Kohlenstoff auf. In WEAs mit vergleichsweise großen Körnern wurden zudem Volumina mit Abmessungen von einigen zehn nm gefunden, die aus annähernd reinem Kohlenstoff bestehen. Diese Ergebnisse zeigen, dass eine bedeutende Umverteilung des Materials in WEAs stattfindet. Aus dem Vorliegen von reinem Kohlenstoff innerhalb von WEAs wird geschlossen, dass dies auch an den Rissflächen möglich ist. Die Präsenz von reinem Kohlenstoff an Rissflächen könnte die Reibung zwischen diesen verringern und damit die Rissausbreitung beschleunigen. Es wurde gezeigt, dass die Korngrößenunterschiede in WEAs in einem inversen Zusammenhang mit dem lokalen Kohlenstoffgehalt stehen. Hohe Kohlenstoffgehalte von bis zu etwa 10 at% stabilisieren dabei Korngrößen von weniger als 10 nm. Es wurde kein Hinweis auf Karbidausscheidungen innerhalb von WEAs gefunden, stattdessen liegt Kohlenstoff gelöst im Ferrit und gesteigert an Korngrenzen vor; beide Werte nehmen mit steigendem Gesamtkohlenstoffgehalt zu. Die vorliegenden Ergebnisse untermauern die Annahme, dass WEAs stets an beiden Rissflächen vorliegen, selbst dort, wo die Verteilung von WEAs um einen Riss herum nicht symmetrisch ist. Dies stützt die Hypothese, dass die Bildung von WEAs die Präsenz von Rissen voraussetzt. Struktur und Zusammensetzung im Bereich um die Grenzfläche von WEAs und bainitischer Matrix wiesen darauf hin, dass Plastizität vorwiegend dort stattfindet. Dies bedeutet, dass die Zersetzung der Matrix in einem sehr schmalen Volumen von einigen zehn bis zu wenigen 100 nm stattfindet. Diese starke Lokalisierung ist wahrscheinlich der zyklischen Belastung geschuldet. Die vergleichsweise glatte Rissflankenmorphologie von WECs, die sich vom facettierten Erscheinungsbild häufig beobachteter Ermüdungsrisse sowie der Spitzen von WECs unterscheidet, deutet darauf hin, dass Asperitäten durch Rissreibung geglättet werden. Dennoch wird auf der Nanoskala eine exakte Passung gegenüberliegender Rissflanken beobachtet, die darauf hindeutet, dass WECs unter kombinierter Scher- und Druckbelastung teilweise verschweißen und bei Entlastung wieder aufbrechen. Wenn die Rissposition sich hierbei ändert, führt dies zu einer lateralen Risswanderung.

White etching cracks (WECs) are a characteristic premature failure phenomenon found in components that experience very high cycle rolling contact fatigue (> 109 cycles). The issue is most prevalent in bearings but in a similar form also affects other applications such as rails. The most notable WEC occurrences are related to failures in gearbox bearings of wind turbines. Most of the bearings affected are made from high carbon bearing steel 100Cr6 and similar grades used in a bainitic condition. WECs manifest in microstructural alterations that are called white etching areas (WEAs). They are nanocrystalline ferritic regions located directly adjacent to the cracks and extend several tens nm to several µm around WECs. Their white appearance in optical microscopy, which is caused by increased etching resistance compared to the unaltered material, is the defining feature of WECs. The current understanding is that cracks in large scale bearings initiate below the surface in several hundred µm depths at non-metallic inclusions, which are remnants of the steel manufacturing process. Once cracks have formed and propagate, the shear loading also leads to reciprocating sliding movements of the crack surfaces. This leads to severe plastic deformation, which causes decomposition of the initial microstructure resulting in nanocrystalline WEAs. What is currently lacking is a detailed understanding of the alterations at the nm scale and, most importantly, a mechanism-based explanation of the premature nature of WEC related failures. The present thesis aims at taking steps in this direction by contributing detailed microstructural analyses that aid in understanding the nature of WECs. To this end, a wind turbine gearbox bearing that failed due to WECs is investigated. Characterization techniques are used covering length scales from several mm to near-atomic distances. Analyses of the crystallographic structure are conducted using scanning and transmission electron microscopy techniques. Compositional analyses are performed employing spectroscopic methods such as X-ray spectroscopy and atom probe tomography. The results obtained show that, contrary to the expectation, the composition of WEAs does not equal the nominal alloy composition. In most cases, depletion in carbon is observed instead. Additionally, nanosized pure carbon deposits are found in WEAs with comparatively large grain sizes (several hundreds of nm). These results demonstrate that significant elemental redistribution occurs inside WEAs. The presence of pure carbon is in so far significant, as it renders the possibility of carbon being present at the crack surfaces. A consequence of this could be reduced friction that results in accelerated crack propagation. Furthermore, it was found that the varying grain sizes inside WEAs are corresponding inversely to the local carbon content. High carbon contents up to around ten at% stabilize grain sizes down to less than 10 nm. No evidence of carbide formation was found inside WEAs. Carbon atoms partition between grain interior and grain boundaries, both increasing as the total local carbon content increases. The presented investigations furthermore support the assumption that WEAs are always present on both sides of a WEC, even if the appearance on the two sides of cracks is strongly asymmetrical. This asymmetrical distribution is construed as an indication that cracks are a precondition for the formation of WEA. Structure and chemistry at and around interfaces of WEAs and bainitic matrix indicate that plasticity takes place there. This finding indicates that transformation into WEA proceeds from these interfaces into the base material. Structure and chemistry at and around the WEA-matrix interfaces show that decomposition occurs in a narrow region with a width of several tens to a few hundred nm. This confined nature is probably a consequence of cyclic loading. The smooth morphology of WECs flanks as compared to ‘conventional’ faceted fatigue cracks and even WEC tips indicates that crack surface rubbing is causing a smoothing of asperities. However, crack surfaces are faceted on the nanoscale and still exhibit puzzle-like fits, which is a strong indication that WECs partially reweld during combined compressive and shear loading and reopen during unloading. This mechanism is thought to cause material transfer leading to lateral crack displacement.

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