Skalenübergreifende Charakterisierung kurzer Ermüdungsrisse in artverschiedenen Edelstählen unter dem Einfluss von Wasserstoff

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung des Ausbreitungsverhaltens kurzer Ermüdungsrisse in drei Edelstählen bei zyklischer Belastung und unter dem Einfluss von Wasserstoff. Hierfür wurden in-situ Versuche sowohl an einer servohydraulischen Prüfmaschine als auch an einer Miniaturprüfmaschine durchgeführt. Diese Charakterisierung ist wichtig, da die Lebensdauer von Bauteilen stark von der Kurzrissausbreitung dominiert werden kann. Untersucht wurden zwei sich durch ihren Nickelgehalt unterscheidende, metastabile austenitische Edelstähle (X2CrNi19-9 und X2CrNi19-12) sowie ein rein martensitischer Stahl (X3CrNiMo13-4). Dafür wurden mit Wasserstoff vorbeladene Proben mit entsprechenden unbeladenen Proben als Referenz verglichen. Sowohl der X2CrNi19-9 als auch der X2CrNi19-12 neigen zu verformungsinduzierter Martensitbildung während der Ermüdung, wobei der X2CrNi19-9 durch seinen geringeren Nickelgehalt leichter Martensit bildet. Während die Rissausbreitungsgeschwindigkeit in X2CrNi19-12-Proben kaum durch den anwesenden Wasserstoff beeinflusst wird, zeigt sich der X2CrNi19-9 bei niedrigerem Nickel- und höherem Martensitgehalt wesentlich anfälliger gegenüber Wasserstoff. So erhöht sich die Rissausbreitungsgeschwindigkeit in diesen Proben durch den anwesenden Wasserstoff deutlich. Als ausgeprägte Antwort auf die Anwesenheit von Wasserstoff kann die Veränderung der Rissinitiierungsorte und der Gleitbandmorphologie bei beiden austenitischen Edelstählen genannt werden. Während Risse in Referenzproben an Gleitbändern und Korngrenzen initiieren, starten sie bei mit Wasserstoff vorbeladenen Proben an großen mikro-strukturellen Defekten wie Korngrenzen-Tripelpunkten. Den größtmöglichen Einfluss von Wasserstoff auf die Ermüdungseigenschaften zeigen die martensitischen X3CrNiMo13-4-Proben. Hier kommt es in mit Wasserstoff vorbeladenen Proben zu einer deutlich höheren Risswachstumsrate.

The present work deals with the characterisation of the propagation behaviour of short fatigue cracks in three stainless steels under cyclic loading and under the influence of hydrogen. For this purpose in-situ tests were carried out on a servo-hydraulic testing machine as well as on a miniature testing machine. This characterisation is important because the lifetime of components can be strongly dominated by short crack propagation. Two meta-stable austenitic stainless steels (X2CrNi19-9 and X2CrNi19-12), which differ in their nickel content, and one completely martensitic steel (X3CrNiMo13-4) were investigated. For this purpose, with hydrogen precharged samples were compared with corresponding uncharged samples as reference. Both the X2CrNi19-9 and the X2CrNi19-12 tend to deformation-induced martensite formation during fatigue, whereas the X2CrNi19-9 shows, due to its lower nickel content, a higher tendency to deformation-induced martensite formation. While the crack propagation rate in X2CrNi19-12 samples is hardly influenced by the hydrogen present, X2CrNi19-9 is significantly more susceptible to hydrogen. Therefor, the crack propagation speed in these samples is significantly increased by the present of hydrogen. A pronounced response to the presence of hydrogen is the change in crack initiation sites and slip band morphology in both austenitic stainless steels. While cracks initiate in reference samples at slip bands and grain boundaries, cracks in precharged samples start at large micro-structural defects such as grain boundary triple points. The martensitic X3CrNiMo13-4 samples show the greatest possible influence of hydrogen on the fatigue properties. Precharged samples show a significantly higher crack growth rate.