Verformungsinduzierte Martensitbildung bei mehrstufiger Umformung und deren Nutzung zur Optimierung der HCF- und VHCF-Eigenschaften von austenitischem Edelstahlblech

Abstract

Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss von verformungsinduziertem Martensit auf das monotone und zyklische Verformungsverhalten von austenitischem Edelstahl experimentell und beschreibt diesen Einfluss durch quantitative und qualitative Modelle. Ziel der Arbeit ist dabei die Ermittlung eines für die HCF- und VHCF-Eigenschaften optimalen Martensitgehaltes als Zielgroße und die Bereitstellung von Modellen zur quantitativen Vorhersage der Martensitbildung und der mechanischen Eigenschaften in einem komplexen Blechumformprozess. Die Modelle sollen eine Simulation und online-Regelung der Martensitbildung und damit der zyklischen Festigkeit im Umformprozess ermoglichen. Da es sich bei dem betrachteten Umformprozess um eine zweistufige Umformung mit senkrecht zueinander orientierten Umformrichtungen handelt (U-O-Umformung und Rotationszugbiegen), wurden Zug- und Ermüdungsversuche an ein- und zweistufig vorverformten Proben durchgeführt. Ein- und zweistufige Zugversuche zeigen, dass der Scherbandvolumenanteil und die Temperatur die entscheidenden Großen zur Berechnung der Martensitbildung in mehrstufigen Umformprozessen sind, da Martensit an Scherbändern und Scherbandkreuzungen entsteht. Die Bildung von Scherbändern (bestehend aus ε-Martensit und Stapelfehlern) im ersten Umformschritt (x-Richtung) beeinflusst stark die Martensitbildung im nächsten Umformschritt (y-Richtung). In x-Richtung entstandene Scherbänder liegen teilweise in Bereichen mit wenig Gleitaktivität in y-Richtung, was zu geringerer Martensitbildung in y-Richtung führt. Das monotone Verformungsverhalten im ein- und zweistufigen Zugversuch lässt sich durch eine Berechnung der Versetzungsdichte in der Austenitphase abbilden. Die Bildung von Martensitbändern führt zu einer Verringerung der mittleren freien Versetzungsweite und somit zu einem Anstieg der Versetzungsdichte. Unter Berücksichtigung der Dehnrate und Temperatur kann die Fließspannung aus der Wurzel der Versetzungsdichte bestimmt werden. Nach einer Vorverformung in x-Richtung erhoht die Martensitbildung in y-Richtung die Fließspannung nur noch sehr geringfügig, weil sich Martensit an Scherbandkreuzungen bildet, die aufgrund ihrer Position die Versetzungsbewegung in y-Richtung wenig behindern. Das HCF- und VHCF-Ermüdungsverhalten kann durch die Martensitbildung aufgrund von zwei (sich häufig überlagernden) Effekten verbessert werden: 1. Durch die Martensitbildung während der Ermüdung (hier bezeichnet als zyklischer TRIP-Effekt): Sie erschwert Versetzungsbewegungen in Bereichen hoher Versetzungsaktivität und führt zu Druckeigenspannungen an Spannungsüberhohungen aufgrund einer Volumenexpansion bei der Umwandlung. Außerdem kann der zyklische TRIP-Effekt global messbare zyklische Verfestigung verursachen. Erhohte Temperaturen verhindern die Martensitbildung an Spannungsüberhohungen und senken die HCF-Ermüdungsfestigkeit. 2. Durch die Bildung der festeren α'-Martensitphase während einer monotonen Vorverformung. Die Martensitbildung während einer monotonen Vorverformung kann die HCF-Ermüdungsfestigkeit für 2·10^6 Zyklen deutlich verbessern. Bei Proben mit glatter Oberfläche steigt die HCF-Ermüdungsfestigkeit mit dem Martensitgehalt stetig an. Bei Proben mit rauer Oberfläche kommt es ab einem Martensitgehalt von 30 Vol-% zu einem Abfall der HCF-Ermüdungsfestigkeit aufgrund der hoheren Kerbempfindlichkeit der Martensitphase. Für das HCF-Verhalten sind Vorverformungsrichtung und Versetzungsdichte im Austenit irrelevant, der Martensitgehalt bestimmt die HCF-Festigkeit. Auch die VHCF-Eigenschaften konnen durch die Martensitbildung während einer Vorverformung verbessert werden. Dabei vermindern im VHCF-Bereich der zyklische TRIP-Effekt und die Versetzungsverfestigung die globale und lokale plastische Dehnung während der Ermüdung so weit, dass es bei Martensitgehalten zwischen 0 und 26 Vol-% zu keiner Rissinitiierung, bzw. zu keinem Risswachstum kommt. Für diese Zustände existiert eine über der Lastspielzahl konstante "Dauerfestigkeit" zwischen 2·10^6 und 10^9 Zyklen aufgrund des zyklischen TRIP-Effektes. Bei einem Martensitgehalt von 54 Vol-% kommt es hingegen zu einer Rissinitiierung an Einschlüssen im Probeninneren, die zu einem Abfall der VHCF-Ermüdungsfestigkeit oberhalb von 10^7 Zyklen um ca. 30 MPa pro Dekade führt. Die 10^9-Ermüdungsfestigkeit bei 26 Vol-% und 54 Vol-% entsprechen sich. Das Risswachstum im Probeninneren bei 54 Vol % findet statt, weil die Martensitphase Einschlüsse vollständig umgibt, die Spannung in der Martensitphase hoher ist als in der Austenitphase und der Rissfortschritt im Martensit bei geringeren Amplituden stattfinden kann als im Austenit.