Röntgenographische Bestimmung von Mikrospannungen in polykristallinenen Werkstoffen und ihr Verhalten bei statischer Verformung und schwingender Beanspruchung

Aachen / Mainz (2007) [Doktorarbeit]

Seite(n): V, 148 S. : zahlr. graph. Darst.

Kurzfassung

Eigenspannungen sind in einem Werkstück, das frei von äußeren Kräften, Momenten und Temperaturgradienten ist, vorliegende mechanische Spannungen. Sie können zum Teil erheblichen Einfluss auf Versagensgrenzen besitzen, da sie sich mit äußeren Spannungen überlagern. Man unterscheidet zwischen Makrospannungen und den auf einer mikroskopischen Skala variierenden Mikrospannungen. Zur zweiten Gruppe gehören z.B. Verspannungen zwischen verschiedenen Phasen eines Werkstoffes und Verspannungen innerhalb verschieden orientierter Kristallite. Ziel und Inhalt der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung von Mikrospannungen in technischen Metalllegierungen nach Walzen, plastischer einachsiger Verformung und zyklischer Beanspruchung. Ein wesentlicher Schwerpunkt liegt hier bei den Möglichkeiten der Bestimmung des Spannungszustandes unter Anwesenheit von orientierungsabhängigen Mikrospannungen. Hierzu existieren verschiedene Auswerteansätze. Jedes dieser Verfahren beruht jedoch auf einschränkenden Bedingungen bezüglich der Kristallitkopplung, der Art des Eigenspannungszustandes oder auf idealisierten Voraussetzungen an den Werkstoff. In den letzten Jahren wurde ein neues Auswerteverfahren vorgestellt, mit dem es möglich ist, neben dem Makrospannungszustand auch den Mikrospannungszustand in Abhängigkeit von der Kristallorientierung anzugeben. Bei dieser so genannten harmonischen Methode werden die von den Kristallorientierungen abhängigen Dehnungs- oder Spannungskomponenten nach einer Reihe harmonischer Kugelfunktionen dargestellt und die unbekannten Entwicklungskoeffizienten durch Anpassung an die experimentellen Dehnungsmessungen bestimmt. Aus den so erzeugten Spannung/Dehnung-Orientierung-Funktionen ergeben sich die makroskopischen Werte durch Mittelung über alle Orientierungen. Bisher wurde das Verfahren selten in der Praxis angewendet und soll im Rahmen dieser Arbeit an Cu-Basislegierungen getestet werden. Als vergleichende Auswertemethoden werden eine Erweiterung der traditionellen Kristallitgruppenmethode und das relativ einfache Verfahren der linearen Anpassung von gemittelten Gitterdehnungsverteilungen verschiedener Gitterebenenscharen gewählt. Die Methoden werden auf experimentelle Daten angewandt, bezüglich ihrer Voraussetzungen geprüft und bewertet. Neben dem direkten Vergleich der Auswerteverfahren soll die Empfindlichkeit gegenüber Anzahl der Eingaben, d. h. der Größe des Messaufwandes, und eventuellen Messfehlern überprüft werden. Die harmonische Methode ermöglicht neben der Bestimmung des Phasenspannungszustandes auch die Angabe von kristallorientierungsabhängigen Mikrospannungen. Damit steht ein Werkzeug zur Verfügung, mit dem die Entwicklung dieser orientierungsabhängigen Mikrospannungen bei plastischer Verformung betrachtet werden kann. Dies geschieht am Beispiel von Cu-Basislegierungen. Neben der Bestimmung von Eigenspannungen ist ihre Bewertung hinsichtlich ihrer Wirkung auf die Lebensdauer von Bauteilen unter statischer und zyklischer Belastung von Interesse. Im Laufe der Jahre wurde ein gesicherter Kenntnisstand über die positive oder negative Wirkung von Makrospannungen bei statischer und dynamischer Beanspruchung entwickelt. Über das Verhalten und die Auswirkung von Mikrospannungen bei schwingender Beanspruchung liegen nur wenige Erkenntnisse vor. Die Mikrospannungen können jedoch erheblich von den Makrospannungen abweichen und relativ zu den Fließgrenzen hohe Absolutwerte annehmen. Bei einer Relaxation während einer schwingenden Beanspruchung kann von einem geringen Einfluss auf Versagensgrenzen ausgegangen werden. Dagegen ist bei einer Verstärkung oder Stabilität von hohen Ausgangswerten ein Einfluss wahrscheinlich. Eine Prüfung der Entwicklung dieser Mikrospannungen ist daher notwendig und wird an einem ferritisch/austenitischen Duplexstahl mit etwa ausgeglichenen Phasenanteilen durchgeführt. Eine Biegeschwellbeanspruchung wurde gewählt, um reine Zugbelastung auf der einen Probenseite und reine Druckbelastung auf der gegenüberliegenden Probenseite zu erzielen. Bei dem Werkstoff lassen sich beide Phasen röntgenographisch gut vermessen, so dass neben der Entwicklung der orientierungsabhängigen Mikrospannungen in erster Linie die Verspannung zwischen den Phasen betrachtet werden kann. Der Einfluss einer hohen Anisotropie wird mit vergleichenden Messungen an einer Messinglegierung geprüft.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Possel-Dölken, Inken

Gutachterinnen und Gutachter

Beiss, Paul

Identifikationsnummern

  • ISBN: 3-86130-116-4
  • URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-20237
  • REPORT NUMBER: RWTH-CONV-124058