Hans-Jürgen Christ

Zur Bedeutung des zyklischen Spannungs-Dehnungs-Verhaltens

Wenn man an die Festigkeit eines Werkstoffes denkt, so wird man in der Regel zunachst stillschweigend von einer einsinnigen Belastung ausgehen und die Belastbarkeit durch eine ingenieurmasige Grose wie die 0,2%-Dehngrenze R p 0,2 charakterisieren. Nahezu alle in der Technik eingesetzten Bauteile werden aber nicht nur einsinnig oder statisch belastet, sondern unterliegen einer wechselnden mechanischen Belastung. Bereits seit mehr als 150 Jahren ist bekannt [1], das metallische Werkstoffe bei einer Schwingbeanspruchung eine geringere Festigkeit aufweisen konnen als bei statischer Belastung. Die Ursache dafur sind durch die Wechsellast hervorgerufene kleine mikrostrukturelle Veranderungen, die sich aber uber viele Belastungszyklen akkumulieren und sich makroskopisch auf die Festigkeitseigenschaften des Werkstoffes auswirken.

Die Versetzungsstruktur bei zyklischer Verformung

Nach der z.T. doch sehr formalen Beschreibungsweise von Metallen und Legierungen ab Vielkomponentensysteme im letzten Kapitel sollen die grundsatzlichen Ergebnisse der Untersuchungen zu der sich bei der zyklischen Verformung einstellenden Versetzungsstruktur dargestellt werden. Dieses Gebiet ist so komplex und, wie z.B. die Anzahl der dazu vorliegenden Veroffentlichungen zeigt, so umfangreich, das eine sinnvolle Beschrankung Not tut.

Berechnung des Spannungs-Dehnungs-Verlaufes

In diesem abschliesenden Kapitel soll die praktische Anwendung der Vielkorpermodelle zur Berechnung des Spannungs-Dehnungs-Verlaufes bei zyklischer Beanspruchung mit variierender Amplitude im Vordergrund stehen. Die Notwendigkeit fur die Durchfuhrung einer solchen Berechnung ist in vielen Anwendungsfallen gegeben, wo z.B. die Dehnung als Funktion der Zeit unter Betriebsbedingungen ermittelt werden kann, der zugehorige Spannungs-Zeit-Verlauf aber aufgrund einer komplexen Bauteilgeometrie und inhomogener Spannungsverteilung an den lebensdauerbestimmenden kritischen Stellen experimentell nicht zuganglich ist.

Gefügeumwandlung und dynamischen Reckalterung

In diesem Kapitel wird das zyklische Verformungsverhalten des austenitischen Stahles X3CrNil8 9 (AISI 304L) auf mikrostruktureller Basis behandelt. Dieser Werkstoff zeigt ein ganzes Spektrum von Phanomenen, die einerseits dazu dienen, die in den letzten Kapiteln gezogenen Schlusfolgerungen zu uberprufen, und daruber hinaus eine Erweiterung von den einfachen Modellwerkstoffen hin zu komplexen technischen Legierungen ermoglichen.

Zur Form der Hysteresekurve

In Abschnitt 2.1.1 wurde bereits darauf hingewiesen, das die mechanische Hysteresekurve die Antwort eines Werkstoffes auf eine zyklische Belastung wiedergibt und damit als integrale Darstellung der das zyklische Verformungsverhalten bestimmenden mikrostrukturellen Vorgange betrachtet werden kann. Die Notwendigkeit der ubersichtlichen und vergleichbaren Darstellung des zyklischen Verformungsverhaltens fuhrt auf die in den Abschnitten 2.1.2–2.1.4 eingefuhrten Diagrammtypen. Diese sind aber immer mit einem Verlust an Information verbunden, da sie aus den Hysteresekurven eines Wechselverformungsversuches nur einzelne, ausgewahlte Punkte ubernehmen. So wird z.B. in der zyklischen Spannungs-Dehnungskurve nur der Sattigungszustand betrachtet und dieser wiederum nur durch ein Wertepaar (σS, ϵ pl,S ) gekennzeichnet (Abb. 2.4).

Begriffe, Definitionen und gebräuliche Darstellungen

Haufig wird das Verstandnis fur Zusammenhange fur einen “Fachfremden” deshalb unnotig erschwert, weil er nicht uber das Handwerkszeug einer wissenschaftlichen Disziplin in Form der benutzten Terminologie verfugt. Dabei ist die Verwendung fachspezifischer Begriffe meist weniger als Schutz vor dem geistigen Zutritt von Ausenstehenden gedacht, sondern eher als Moglichkeit pragnanter und zeitsparender Ausdrucksweise. Leider verleitet die alltagliche Benutzung von Fachbegriffen zu einer Selbstverstandlichkeit, die eine objektive Beurteilung, was eine nicht mit dieser Materie vertraute Person verstehen bzw. nicht verstehen kann, erschwert. Um dieser Gefahr zu begegnen, werden im Abschnitt 2.1 zunachst die ublicherweise fur die graphische Auftragung von experimentellen Ergebnissen zum zyklischen Spannungs-Dehnungs-Verhalten benutzten Darstellungen zusammenhangend behandelt. Im Abschnitt 2.2 folgt dann eine phanomenologische Betrachtung typischer Verhaltensweisen bei zyklischer Beanspruchung, die spater auf der Basis der mathematisch formulierten Modellvorstellungen interpretiert werden.

Zur experimentellen Methodik

Es wurde den Rahmen dieses Buches bei weitem sprengen, wenn auf die Details der experimentellen Methoden zur Untersuchung des zyklischen Spannungs-Dehnungsverhaltens eingegangen werden sollte. Deshalb werden in diesem Kapitel nur die Aspekte experimenteller Versuchsfuhrung behandelt, die uber die Standardverfahren hinausgehen und sich unter dem Gesichtspunkt des Verbundgedankens in einem neuen Licht darstellen (Allgemeinere und ausfuhrlichere Informationen findet der Leser z.B. in [264, 19, 265, 57, 109, 266].).

Zum Anwendungsbereich des Incremental Step Tests

Dieses Kapitel stellt eine Art Zusammenfassung der bisherigen Ergebnisse im Hinblick auf das makroskopische zyklische Verformungsverhalten und die mikrostrukturellen Vorgange im Incremental Step Test dar. Die folgenden Ausfuhrungen haben zum Ziel den Anwendungsbereich zu definieren, in dem diese Versuchstechnik sinnvoll benutzt werden kann. Dieser Anwendungsbereich wird nicht nur vom Werkstoffverhalten, insbesondere dem Versetzungsgleitverhalten, bestimmt, sondern hangt nicht zuletzt auch von der Fragestellung ab, welche mit Hilfe des Incremental Step Tests beantwortet werden soll.

Der Incremental Step Test

Die zyklische Spannungs-Dehnungskurve stellt eine der wichtigsten Auftragungen zur Beschreibung des Verhaltens eines Metalles oder einer Legierung bei Wechselverformung dar. In Kapitel 1 wurde anhand verschiedener Methoden der Lebensdauervorhersage dokumentiert, das die ZSD-Kurve die werkstoffspezifische Komponente in die oft sehr formalen Modelle einbringt.

Der Einfluß der Teilchenhärtung

Die in den beiden letzten Kapiteln vorgestellten Ergebnisse charakterisieren das zyklische Verformungsverhalten fur die in bezug auf den Gleitcharakter extremen Falle (wellig/planar) fur einphasige (bzw. quasi-einphasige) Werkstoffe. Sie definieren somit Eckpositionen, mit deren Hilfe das Verhalten weiterer Metalle und Legierungen eingeordnet werden kann. Dies setzt nicht unabdingbar voraus, das der betrachtete Werkstoff nur aus einer Phase besteht, wie die Beobachtungen zu den unlegierten Stahlen zeigen. Allerdings sollten die zusatzlich vorliegenden Phasen zu keiner grundsatzlichen Beeinflussung des Verformungsverhaltens (bzw. des Versetzungsgleitverhaltens) fuhren.