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Randschichtmodifikation von integral verzweigten Blechprofilen mit UFG Gradientengefügen

Bödecker, Jennifer :
Randschichtmodifikation von integral verzweigten Blechprofilen mit UFG Gradientengefügen.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Randschichtmodifikation von integral verzweigten Blechprofilen mit UFG Gradientengefügen
Language: German
Abstract:

Spaltprofilieren sowie Spaltbiegen sind innovative Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung integral verzweigter Blechstrukturen. Die aus Blechen hergestellten, verzweigten Strukturen sind insbesondere für Leichtbauanwendungen interessant, da durch die Verzweigungen eine hohe Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Bauteilgewicht erreicht werden kann. Ein weiterer Vorteil der Verfahren Spaltprofilieren und Spaltbiegen ist die prozessimmanente Entstehung ultrafeinkörniger (UFG) Gefüge. Die durch das Spaltprofilieren bzw. Spaltbiegen erzeugten UFG Gefüge weisen eine gelängte, pancake-förmige Kornform auf und liegen an den gespaltenen Bauteiloberflächen bis in eine Tiefe von 300 µm bzw. 500 µm vor. Mit den ultrafeinkörnigen Gefügen geht eine Verdopplung der Härte und Festigkeit sowie eine deutliche Erhöhung der Dauerfestigkeit einher, verglichen zu dem Blechmaterial im unverformten Ausgangszustand. Durch die sehr guten mechanischen Eigenschaften der UFG Gefüge und durch die Form der Spaltprofile eignen sich spaltprofilierte Bauteile insbesondere für den Einsatz als Linearführung. Spaltgebogene Profile können in Stringerprofile umgeformt werden und bieten so die Möglichkeit, beispielsweise im Bereich der Luftfahrt eingesetzt zu werden. Im Hinblick auf eine mögliche Anwendung von Spaltprofilen als Linearführungen soll die Härte und somit die Verschleißbeständigkeit der UFG Gradientengefüge in Spaltprofilen durch Plasmanitrieren weiter verbessert werden. Aufgrund der geringen thermischen Stabilität der UFG Gefüge müssen geeignete Prozesstemperaturen gefunden werden, um zum einen geschlossene Verbindungsschichten zu erzeugen und eine Steigerung der Bauteilhärte zu gewährleisten, und zum anderen nicht durch zu hohe Prozesstemperaturen das UFG Gradientengefüge in Spaltprofilen zu zerstören. Prozesstemperaturen von 500°C, welche im Fall einer reinen Wärmebehandlung von UFG Gefügen zu einem deutlichen Härteverlust durch Erholungsprozesse führen, bewirken im Fall einer Nitrierbehandlung eine deutliche Härtezunahme. Bedingt durch die Stabilisation des Gefüges durch den eindiffundierenden Stickstoff bzw. Nitridausscheidungen, finden Kornvergröberungsprozesse nur gehemmt statt, das Gefüge bleibt ultrafeinkörnig. Während des Nitrierens finden zunächst Erholungsprozesse statt, welche zu einem Härteverlust führen. Dieser Härteverlust wird durch den härtesteigernden Effekt des Nitrierens ausgeglichen. Neben einer gesteigerten Härte nimmt auch die Lebensdauer unter zyklischer Belastung durch eine Plasmanitrierbehandlung der UFG Gefüge in Spaltprofilen zu. Die harte Verbindungsschicht wirkt sich positiv auf die Ermüdungsfestigkeit der UFG Gefüge aus, indem sie einer Rissbildung entgegenwirkt. Auch die hohe Härte der Diffusionszone trägt zu einer Verbesserung der Lebensdauer unter Ermüdungsbelastung bei. Die stützende Wirkung der Diffusionszone sowie die hohe Härte der Verbindungsschicht wirken sich zudem positiv auf den Widerstand des Materials gegenüber Wälzverschleiß aus. Aufgrund der stark gelängten, pancake-förmigen Kornform der UFG Gefüge in Spaltprofilen liegen im Vergleich zu nanokristallinen bzw. gleichachsigen UFG Gefügen deutlich längere Diffusionswege für eine Korngrenzdiffusion von Stickstoff in das Material hinein vor. Dies verursacht einen langsameren Stickstofftransport senkrecht zur gespaltenen Oberfläche der Spaltprofile, welcher den Vorteil der beschleunigt stattfindenden Diffusion im Bereich des UFG Gefüges kompensiert. Die ultrafeinkörnigen Oberflächen in Spaltprofilen zeigen aufgrund ihrer hohen Versetzungsdichte sowie aufgrund der hohen Korngrenzdichte dennoch eine bessere Nitrierbarkeit als korrespondierende grobkörnige bzw. kaltverfestigte Gefüge. Der Einfluss der hohen Versetzungsdichte bzw. der hohen Korngrenzdichte auf die Nitrierbarkeit der UFG Gradientengefüge in Spaltprofilen wurde durch eine Separation der beiden Einflussfaktoren untersucht. Für den Einsatz von Spaltbiegeprofilen in Form von Stringerprofilen im Bereich der Luftfahrt sind die Ermüdungseigenschaften der ultrafeinkörnigen Gefüge von großer Wichtigkeit. Eine weitere zu optimierende Eigenschaft stellt somit das Ermüdungsverhalten von UFG Gefügen in Spaltbiegeprofilen dar. Dies soll durch Kugelstrahlen erreicht werden, einer klassischen Methode zur Steigerung der Schwingfestigkeit metallischer Bauteile. Die Gründe für die Wahl liegen in der einfachen Anwendung von Kugelstrahlen bei geometrisch komplizierteren Bauteilen und in der Geschwindigkeit des Verfahrens, die eine Integration in den Spaltbiegeprozess denkbar macht. Der Einfluss von Kugelstrahlen auf UFG Gefüge, als nachträgliche Methode zur Steigerung ihrer Ermüdungsfestigkeit, ist bislang noch nicht bekannt. Ultrafeinkörnige Gefüge bieten aufgrund ihrer erhöhten Festigkeit prinzipiell ein großes Potential zum Einbringen von Druckeigenspannungen. Kugelstrahlen könnte somit die Ermüdungsfestigkeit von Werkstoffen mit UFG Gefügen steigern und ihr Leichtbaupotential weiter verbessern. Am Beispiel von Kugelstrahlen ultrafeinkörniger Gradientengefüge kann gezeigt werden, dass eine Ausbildung merklicher Druckeigenspannungen stattfindet. Bedingt durch das geringe Verfestigungsvermögen der UFG Gefüge in Spaltbiegeprofilen führt Kugelstrahlen nicht zu einer Härtezunahme des Werkstoffes. Die UFG Gefüge erweisen sich als zyklisch stabil. Dennoch kann durch Kugelstrahlen keine Verbesserung der Ermüdungseigenschaften der ultrafeinkörnigen Gefüge erreicht werden. Bestenfalls bleiben die Ermüdungseigenschaften unverändert, im Fall zu hoher bzw. zu niedriger Strahldrücke verschlechtern sich die Lebensdauern der UFG Gefüge unter zyklischer Belastung. Eine weitere Optimierung des Strahldruckes lässt nur eine geringfügige Steigerung der Lebensdauer erwarten, d.h. durch Kugelstrahlen kann die Ermüdungsfestigkeit der UFG Gefüge in Spaltbiegeprofilen, trotz Einbringung hoher Druckeigenspannungen, nicht signifikant gesteigert werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Linear Flow Splitting and Linear Bend Splitting are new massive forming processes, which enable the continuous production of integral bifurcated profiles with ultrafine grained (UFG) surface layers. Due to the uniaxial material flow during Linear Flow Splitting and Linear Bend Splitting, the grains in the UFG-layer are highly elongated with minimum grain dimensions perpendicular to the split surface. With increasing distance to the split surface, the UFG-microstructure changes into a conventionally strain-hardened microstructure. The microstructural gradient is accompanied by a gradient in hardness and strength, with maximum values at the split surface in the UFG-layer. Because of their y-shaped geometry and the excellent mechanical properties of the UFG microstructures, linear flow split profiles are qualified for applications like linear guides, where the profiles are exposed to strong wear loads. Further improvement of wear resistance and hardness could be achieved by classical surface modification methods such as nitriding. But with regard to the low thermal stability of UFG microstructures, the question arises whether the elevated process temperatures of the nitriding process allow preserving the UFG microstructures with its outstanding mechanical properties. Furthermore it is uncertain to which extend the hardness of UFG microstructures can be enhanced by nitriding, compared to classical microstructures. Nitriding of linear flow split profiles with UFG microstructures leads to an increase in hardness and fatigue strength and therefore to an improved wear resistance of the UFG microstructures. Compared to a strain-hardened microstructure and a coarse grained microstructure, respectively, nitriding of UFG microstructures is beneficial in terms of higher compound layer thickness and hardness. Moreover, nitriding reduces the grain growth, i.e. stabilizes the UFG microstructure by means of the Zener effect. Linear bend split profiles can be formed to stinger profiles. Stringer profiles are used in airplanes, for example. For such applications high fatigue strength of the linear bend split profiles is very important. Further enhancement of their fatigue strength can probably gained by shot peening. Due to their high strength, UFG microstructures offer a big potential for the formation of high compressive residual stresses. Therefore, shot peening of UFG microstructures could further improve the excellent fatigue properties of linear bend split profiles. Besides, because of its high process velocity, shot peening may be integrated in the continuous linear flow splitting process. Fatigue tests reveal that shot peening of UFG microstructures does not result in an improvement of their fatigue strength. Despite the formation of markedly compressive residual stresses, the increased surface roughness overcompensates the positive effect of the compressive residual stresses. To eliminate the effect of the surface roughness, fatigue tests on electropolished profiles were conducted. Elimination of the surface roughness results in a rather marginal increase of the fatigue strength. English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: UFG-Gefüge, Nitrieren, Kugelstrahlen
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
UFG-microstructures, Nitriding, Shot peeningEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
Date Deposited: 19 Nov 2013 08:04
Last Modified: 19 Nov 2013 08:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-36742
Referees: Müller, Prof. Dr. C. and Ensinger, Prof. Dr. W.
Refereed: 23 October 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3674
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