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Richtungsabhängiges Rissausbreitungsverhalten in Gradientenwerkstoffen

Kriegsmann, Arne :
Richtungsabhängiges Rissausbreitungsverhalten in Gradientenwerkstoffen.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Dissertation Kriegsmann - Text
Richtungsabhängiges Rissausbreitungsverhalten in Gradientenwerkstoffen.pdf
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Richtungsabhängiges Rissausbreitungsverhalten in Gradientenwerkstoffen
Language: German
Abstract:

Ziel dieser Arbeit war es, das Rissausbreitungsverhalten in Gradientengefügen mit richtungsabhängigen Ermüdungseigenschaften zu charakterisieren. Durch Wärmebehandlung in einem Temperaturgradienten wurden in der Titanlegierung Ti-6Al-4V zwei unterschiedliche Gefügeübergänge sowie homogene Referenzproben für die unterschiedlichen Gefüge eingestellt. Es wurde ein Übergang von feinlamellarem zu duplex Gefüge und ein Übergang von groblamellarem zu globularem Gefüge erzeugt. Der Gefügeübergang feinlamellar duplex besteht aus einem homogenen feinlamellaren Bereich, an den sich ein Gradient mit zunehmendem Volumenanteil an alpha-Phase anschließt. Der Übergang von groblamellarem zu globularem Gefüge bildet einen abgegrenzten Übergangsbereich mit einer Länge von 4 mm aus. Der Übergangsbereich ist von zwei homogenen Bereichen mit lamellarem und globularem Gefüge umgeben. Dies ermöglicht die Ermittlung des Rissausbreitungsverhaltens im Übergangsbereich sowie des Einflusses des Risspfads auf die Rissschließung. Aus diesem Grund wurden die Ermüdungsexperimente an dem Gefügeübergang mit groblamellarem und globularem Gefüge durchgeführt. Durch Härtemessungen und Zugversuche wurden die einzelnen Gefügebestandteile in den Referenzproben charakterisiert und die Härte sowie das Fließverhalten der Gefügeübergänge gemessen. Es wird eine Methode entwickelt, mit der das Fließverhalten der Gefügeübergänge aus den Fließkurven der homogenen Gefüge berechnet werden kann. Der Vergleich aus berechneten und gemessenen Fließkurven der Gefügeübergänge zeigt, dass die Übergangsbereiche keinen signifikanten Einfluss auf die Entwicklung der Fließkurven haben. Zur Ermittlung des Rissausbreitungsverhaltens wurden CT-Proben mit Referenzgefügen und mit Gefügeübergang in der Mitte der Probe (W/2) gefertigt und in einer servohydraulischen Prüfmaschine schwingend belastet. In den Referenzgefügen wurden da/dN-DK Kurven aufgenommen, die zur Minimierung der Streuung der Messwerte in einem iterativen Prozess mit der Paris Gleichung angepasst wurden. Die Proben mit Gefügeübergang wurden in zwei Rissausbreitungsrichtungen mit konstantem DK belastet und die Rissausbreitungsgeschwindigkeit sowie die Rissschließung richtungsabhängig ermittelt. Durch elektronenmikroskopische Untersuchungen der Bruchflächen und Lastabsenkungen unter Ausnutzung des load history Effekts bei plastizitätsinduzierter Rissschließung konnte ein Wechsel im Rissausbreitungsmechanismus und damit im Rissschließmechanismus von rauigkeitsinduziert im lamellaren Bereich der Probe zu plastizitätsinduziert im globularen Bereich der Probe nachgewiesen werden. Es konnte gezeigt werden, dass bereits geringe Anteile an globularem Gefüge im Übergangsbereich die rauigkeitsinduzierte Rissschließung des lamellaren Gefüges absenken, sowie geringe Anteile an lamellarem Gefüge die plastizitätsinduzierte Rissschließung des globularen Gefüges anheben. Der Gefügeübergang zeigt richtungsabhängig unterschiedliche Verläufe der Rissschließbelastung über dem Ort im Gradienten. Breitet sich der Riss vom groblamellaren Gefüge in das globulare Gefüge aus, ist Kop im Übergangsbereicht deutlich höher als bei der Ausbreitung in umgekehrter Richtung. Dadurch ergibt sich eine Richtungsabhängigkeit der Rissausbreitungsgeschwindigkeit. Der Riss breitet sich schneller vom globularen in Richtung des groblamellaren Gefüges als in umgekehrter Richtung aus. Durch sukzessive Entfernung des Risspfads und Messung von Kop in Abhängigkeit des verbleibenden Risspfads konnte gezeigt werden, dass durch den starken Rückgang der Rauigkeit im Übergangsbereich das lamellare Gefüge die Rissschließbelastung noch mehrere Millimeter hinter der Rissspitze beeinflusst. Analog zum load history Effekt tritt hier bei konstanter Belastung ein history Effekt auf, der durch eine Änderung der Rauigkeit und damit durch den Gefügegradient hervorgerufen wird.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The purpose of this thesis was to characterize the crack growth behaviour in graded materials with directional fatigue crack growth properties. In the titanium alloy Ti-6Al-4V two different microstructural transitions and homogeneous reference specimen for different microstructures were produced by a specific thermomechanical treatment. Using heat treatment in a temperature gradient, a transition from fine lamellar to duplex microstructure and a transition from coarse lamellar to equiaxed microstructure were produced. The transition from fine lamellar to duplex microstructure consists of a homogenous fine lamellar area adjacent to an area of a gradient with increasing volume fraction of primary alpha-phase. The transition of coarse lamellar to equiaxed microstructure forms a defined area with a length of 4 mm between the homogenous microstructures. The existence of two homogenous areas surrounding the microstructural transition makes it possible to determine the crack growth behaviour in the transition area and the influence of the crack path on the crack closure. For this reason, the transition from coarse lamellar to equiaxed microstructure has been used for the fatigue crack growth experiments. The properties of the different microstructural components were characterized in homogeneous reference specimens by hardness measurements and tensile tests and in the transition specimens by the change of hardness and yielding behaviour correlated to the position in the transition area. A procedure for calculating the yielding behaviour of the transition area from the yield curves of the homogeneous microstructures was developed. The comparison of the calculated and the measured yield curves of the transitions shows, that there is no unexpected yielding behaviour in the transition areas. To determine the crack growth behaviour CT-specimens with homogenous reference microstructure and with a transition area in the middle of the specimen (W/2) were produced and cyclic loaded in a servohydraulic testing machine. In the specimen with reference microstructure da/dN-DK curves were measured and fitted in an iterative process with the Paris equation to reduce the scattering. Transition specimens were loaded in two crack growth directions with constant DK and crack growth rate and crack closure were measured directional. By examination of the fracture surfaces with scanning electron microscopy and load reducing experiments using load history effects caused by plasticity induced crack closure, a change in the crack growth mechanism and therefore in the crack closure mechanism from roughness induced crack closure in the lamellar part of the specimen to plasticity induced crack closure in the equiaxed part of the specimen could be proven. It could be shown that even a small fraction of equiaxed microstructure in the transition reduces the roughness induced crack closure of the lamellar microstructure, as well as small fraction of lamellar microstructure raises the plasticity induced crack closure of the equiaxed microstructure. The fatigue behaviour of the microstructural transition shows directionality in the development of the crack closure load with the position in the transition. When the crack grows from coarse lamellar to equiaxed microstructure, Kop in the transition regime is significant higher than in the opposite direction. This leads to directionality in the crack growth rate. The crack grows faster in the direction from equiaxed to coarse lamellar microstructure than in the opposite direction. Iterative removing of the crack path and measuring Kop show, that with the strong decrease in roughness in the transition regime the crack closure load decreases. This indicates that the fraction of lamellar microstructure in the transition affects the crack closure load until a few millimetres behind the crack tip. Analogue to the load history effect a history effect caused by the change in the roughness and therefore by the microstructural transition occurs.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Physical Metallurgy
Date Deposited: 16 May 2014 10:42
Last Modified: 16 May 2014 10:42
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-39152
Referees: Müller, Prof. Dr. Clemens and Rödel, Prof. Dr. Jürgen
Refereed: 4 December 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3915
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