- Titel
- Einfluss der Prozesshistorie auf das Ermüdungsverhalten eines laserstrahlgeschnittenen metastabilen Chrom-Nickel-Stahls
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-964811
- Erstveröffentlichung
- 2025
- Datum der Einreichung
- 25.06.2024
- Datum der Verteidigung
- 19.12.2024
- Abstract (DE)
- Mittels Laserstrahlschneiden können komplexe Blechbauteile zeiteffektiv und in großen Stückzahlen produziert werden. Das Trennen des Materials erfolgt unter Aufschmelzen durch den Energieeintrag eines fokussierten Laserstrahls, weshalb kein Werkzeug-Werkstoff-Kontakt während der Fertigung auftritt und daraus resultierender Verschleiß vermieden wird. Das aufgeschmolzene Material wird durch einen koaxial geführten Gasstrom ausgetrieben. Allerdings bedingt der Wärmeeintrag in das Material Gefügeveränderungen und nicht vollständig ausgetriebene Schmelze erstarrt an der Laserschnittkante mit einer charakteristischen Topographie sowie an der Unterseite des Blechs als Grat. Diese charakteristischen Merkmale der Laserschnittkante fungieren unter zyklischer Last als Orte erhöhter Spannungskonzentration und folglich als Rissinitiierungsstellen. Damit einher geht in der Regel eine Reduzierung der Ermüdungsfestigkeit im Vergleich zu beispielsweise gefrästen Blechbauteilen. Der Stahl X5CrNi18-10 wird häufig aufgrund seiner sehr guten Umformbarkeit und seinem hohen Korrosionswiderstand in Blechkonstruktionen verwendet, was die Anwendung des Laserschneidens nahelegt. Die gute Umformbarkeit resultiert unter anderem aus dem charakteristischen Werkstoffverhalten der verformungsinduzierten Phasentransformation von kubisch-flächenzentriertem γ-Austenit zu kubisch-raumzentriertem α‘-Martensit. Dieser Mechanismus kann ausgenutzt werden, um statische und zyklische Festigkeiten zu erhöhen. Eine entscheidende Einflussgröße auf diese Phasentransformation ist die chemische Zusammensetzung des metastabilen austenitischen Chrom-Nickel-Stahls. Insbesondere der Gehalt an Nickel ist entscheidend für die Metastabilität des γ-Austenits, wodurch sich ein Chargeneinfluss aus den nach Norm zugelassenen Toleranzen für die Legierungselemente ergibt. Der Chargeneinfluss ist jedoch nicht nur für das Phasentransformationsverhalten von entscheidender Bedeutung. Schwefel als oberflächenaktives Element hat einen Einfluss auf die Oberflächenspannung und die Viskosität der Schmelze während des Laserstrahlschneidens. Signifikante Unterschiede im Schwefelgehalt führen damit zur Beeinflussung der Fluiddynamik und Ausbildung der charakteristischen Merkmale der Laserschnittkante. In Summe ergibt sich die Situation, dass die chemische Zusammensetzung eines metastabilen austenitischen Chrom-Nickel-Stahls sowohl das Verhalten während der Verarbeitung mittels Laserstrahlschneiden beeinflusst, als auch das Verformungsverhalten während des Umformens in Abhängigkeit der α‘-Martensittransformation. Diese Einflussgrößen sind vor allem hinsichtlich ihrer gegenseitigen Wechselwirkungen und deren Einfluss auf das Ermüdungsverhalten nicht hinreichend untersucht. Die vorliegende Arbeit präsentiert Einflussgrößen auf das Ermüdungsverhalten des laserstrahlgeschnittenen und umgeformten, metastabilen Chrom-Nickel-Stahls X5CrNi18-10. Es werden Möglichkeiten zur Steigerung der Ermüdungsfestigkeit aufgezeigt, um eine industrielle Anwendung zu fördern. Dazu werden die Wirkzusammenhänge zwischen den beiden Fertigungsverfahren Laserstrahlschneiden und Umformen identifiziert und beschrieben, sowie deren Einfluss auf das Ermüdungsverhalten evaluiert.
- Freie Schlagwörter (DE)
- Laserstrahlschneiden, Ermüdung, Chargeneinfluss, Martensit, Chromnickelstahl
- Klassifikation (DDC)
- 620
- Klassifikation (RVK)
- ZM 3200
- GutachterIn
- Prof. Dr. Martina Zimmermann
- Prof. Dr. Tilmann Beck
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Technische Universität Dresden, Dresden
- Förder- / Projektangaben
- Deutsche Forschungsgemeinschaft Einfluss fertigungsbedingter Gefüge- und Geometrieinhomogenitäten auf das Ermüdungsverhalten zweier Stahlsorten unter Berücksichtigung des Chargeneinflusses
ID: 413507401 - Sonstige beteiligte Institution
- Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, Dresden
- Version / Begutachtungsstatus
- publizierte Version / Verlagsversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-964811
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 07.05.2025
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Deutsch
- Lizenz / Rechtehinweis
CC BY-NC-ND 4.0- Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis Symbole und Abkürzungen III Abbildungsverzeichnis V Tabellenverzeichnis XI 1 Einleitung 1 2 Theoretische Grundlagen und Stand der Technik 4 2.1 Mechanismus der verformungsinduzierten martensitischen Phasentransformation 5 2.2 Einfluss der verformungsinduzierten martensitischen Phasentransformation auf statische und zyklische Festigkeit 9 2.3 Grundlagen und Einflussgrößen des Laserstrahlschneidens 14 2.4 Ermüdungsverhalten laserstrahlgeschnittener Stähle 19 3 Formulierung der Forschungsfragen 25 4 Werkstoff und Methoden 28 4.1 Der metastabile austenitische Chrom-Nickel-Stahl X5CrNi18-10 28 4.2 Laserstrahlschneiden und zerstörungsfreie Methoden zur Charakterisierung der Laserschnittkante 31 4.3 Methoden zur Charakterisierung von Gefüge und mechanischen Eigenschaften 34 5 Ergebnisse und Diskussion 41 5.1 Verformungsverhalten des wiedererstarrten Materials 41 5.2 Einfluss des α' Martensitvolumenanteils auf das Ermüdungsverhalten 51 5.3 Einfluss der Gratform auf das Ermüdungsverhalten 57 5.4 Einfluss der Anbindung von Gratanhaftungen auf das Ermüdungsverhalten 71 5.5 Einfluss hoher Verformungsgrade auf die Anbindung von Gratanhaftungen und das Ermüdungsverhalten 83 5.6 Einfluss des Schwefelgehalts auf die Ausbildung der charakteristischen Merkmale der Laserschnittkante 90 5.7 Einfluss des Schwefelgehalts auf das Ermüdungsverhalten 95 5.8 Diskussion der Anbindung von Gratanhaftungen als Einflussgröße auf das Ermüdungsverhalten 102 6 Wirkzusammenhänge zwischen Prozesshistorie, Werkstoff- und Ermüdungsverhalten 106 7 Zusammenfassung 112 8 Literaturangaben 115