Verformungsmechanismen stabil-austenitischer Stähle [thesis]

Peter Müllner, Markus O. Speidel, A. E. Romanov
1994
Nähme ich Flügel der Morgenröte und bliebe am äussersten Meer, so würde auch dort deine Hand mich führen und deine Rechte mich halten. (Psalm 139, Verse 9 und 10) VORWORT Die Vorliegende Arbeit wurde am Institut für Metallforschung und Metallurgie der ETH Zürich unter der Leitung von Prof. Dr. Dr.h.c. M. O. Speidel durchgeführt; zu Ihrem Entstehen haben viele Personen beigetragen, und es ist mir eine Freude, ihnen allen zu danken. Als erstes danke ich von ganzem Herzen meiner lieben Frau
more » ... lieben Frau Deborah. Sie hat alle Phasen meiner Doktorandenzeit miterlebt, Freude und Probleme mitgetragen. Dass sie mir in allen Situationen bedingungslos beigestanden ist, hat mir Selbstvertrauen für die Arbeit und Vertrauen für die Zukunft gegeben. Ich danke meinen lieben Eltern für das Interesse, das sie stets für mich und meine Arbeit hatten. Sie haben mir durch ihre Unterstützung meine Ausbildung ermöglicht und damit die Basis für meinen beruflichen Werdegang gelegt. Meinem Betreuer Herrn Dr. Christian Solenthaler danke ich herzlich für seine stete Hilfe, die weit über eine rein fachliche Unterstützung hinausging: er war immer bereit für ein offenes Gespräch und hat mir dadurch geholfen, Richtlinien für meine weitere Tätigkeit zu finden. Ich danke Herrn Professor Dr. Markus O. Speidel, Vorsteher des Institutes für Metallforschung und Metallurgie, dass ich diese Arbeit in grosser Freiheit an seinem Institut ausführen durfte. Besonders bedanke ich mich, dass er mir die Teilnahme an internationalen Tagungen ermöglicht hat. Für die freundliche Übernahme des Korreferates danke ich Herrn Dr. ich mich auch für die ausgiebigen Diskussionen. Frau Bai Kun und Herrn Dr. Toni Rechsteiner, mit denen ich gerne das Büro geteilt habe, danke ich für die angenehme Atmosphäre, die stets in unserem Arbeitsraum geherrscht hat. Besonders bedanke ich mich bei Toni für seine geduldige Hilfe, die ich oft bei der Arbeit am seltsamen Computer beansprucht habe. Herrn Alkan Göcmen und Herrn Privatdozent Dr. Peter Uggowitzer danke ich für die intensiven und anregenden Diskussionen. Ich danke Frau I. Simmler für alle administrative Arbeit, insbeson¬ dere bezüglich der Zusammenarbeit mit Herrn Allen hier nicht namentlich erwähnten Mitarbeitern des Institutes für Metallforschung und Metallurgie danke ich für die Hilfsbereitschaft, die mir immer entgegengebracht wurde. Während meiner Doktorandenzeit durfte ich erleben, dass mir Jesus Christus beisteht und Geborgenheit und Frieden gibt. Im Sinne des Leitwortes aus dem Buch der Psalmen darf ich weiterhin wissen, dass mich Gott auf dem "äussersten Meer" der Struktur der Materie aber auch überhaupt im ganzen Leben begleiten wird. i KURZFASSUNG Das Ziel der vorliegende Arbeit ist, einen Beitrag zum grundlegenden Verständnis der plastischen Eigenschaften austenitischer Stähle zu geben. Strukturuntersuchungen an verformten stabil-austenitischen Stäh¬ len zeigen, dass der mechanischen Zwillingsbildung eine zentrale Rolle in Bezug auf das plastische Verhalten zukommt. Die Bedeutung der Zwillings¬ bildung wird verstärkt, wenn Stickstoff zulegiert wird. Gleichzeitig nehmen die Festigkeit und der Verfestigungskoeffizient stark zu, während die Zähigkeit und die Duktilität gleichbleibend gut sind, es kann aber bei tiefer Temperatur ein für kubisch flächenzentrierte Legierungen untypischer zähspröd-Übergang auftreten. Als Bindeglied zwischen experimentell (TEM) beobachteten Mikro¬ strukturen und den mechanischen Eigenschaften werden einfache Srrukturmodelle erarbeitet. Der Kern der Betrachtungsweise ist das Disklinationsmodell einer Zwillingsfront, d.h. eine Zwillingsfront wird als Dipol partieller Disklinationen behandelt. Die Untersuchungen ergeben folgende Resultate: 1. Keimbildungsstellen für die Zwillingsbildung sind Orte erhöhter innerer Spannungen; in den vorliegenden Strukturen sind dies die Schnittlinien von Gleitbändern. 2. Das Disklinationsmodell ist für die aufgeführten Betrachtungen hinreichend genau: die Fehler der so beschriebenen Spannungsfelder werden kleiner als 20 Prozent angenommen. 3. Das Wechselspiel zwischen Zwillingsbildung und Gleitung ist für die gute Duktilität verantwortlich. 4. Der Beitrag der Zwillingsbildung zur Verfestigung wird durch das Schneiden von Zwillingen bestimmt. Es zeigt sich, dass der Verfestigungskoeffizient mit abnehmender Zwillingsdicke wächst. 5. Versagen durch Sprödbruch tritt dann ein, wenn die inneren Spannungen einer blockierten Zwillingsfront nicht durch andere Defekte abgeschirmt werden können, d.h. wenn die Dichte mobiler Versetzungen klein ist. 11 Bei Zulegieren von Stickstoff nimmt die Stapelfehlerenergie ab und die Reibungsspannung nimmt zu. Die Auswirkungen sind: 6. Die Gleitung wird ausgeprägter planar, wodurch sich die Spannungsspitzen an Gleitbandschnittlinien verschärfen. 7. Durch die ausgeprägteren Spannungsinhomogenitäten setzt die Zwillingsbildung schon bei kleinerer Dehnung ein, dies führt zu dünneren Zwillingen und kleineren Versetzungsdichten. 8. Die dünneren Zwillinge bewirken einen erhöhten Verfestigungskoef¬ fizienten. 9. Die verminderte Versetzungsdichte kann Sprödbruch verursachen. Die Argumentation, ausgehend von den intrinsischen Eigenschaften Stapelfehlerenergie und Reibungsspannung über deren Einfluss auf die Mikrostruktur und die daraus resultierenden Eigenschaften, ergibt ein in sich konsistentes Bild der Plastizität stabil-austenitischer Stähle. iii ABSTRACT The presented thesis aims to give a contribution to the understanding of the basic mechanisms of plasticity in austenitic steel and of the outstanding mechanical properties. Structure analysis of deformed stable austenitic steel shows that it is deformation twinning which is an important mechanism of plasticity. The influence of deformation twinning increases with increased nitrogen content. Strength as well as work hardening rate increase strongly whereas toughness and ductility remain high. However, there is a transition from ductile to brittle behaviour which can be observed at low temperature, what in fact is atypical for face-centered cubic alloys. As a connection between experimentally (TEM) observed microstructures and the mechanical properties, simple structural modeis are developed. The main feature of the model is the disclination dipole representation of a deformation twin. The results are as follows: 1. It is the intersection of glide bands being the nucleation site of a deformation twin due to the local stress accumulation. 2. The accuracy of the disclination representation of a twin is satisfactory with respect to the presented analysis: the relative error of the stress fields is assumed to be less than 20 percent. 3. It is the Cooperation between deformation twinning and glide which is responsible for high ductility. 4. The contribution of deformation twinning to the work hardening rate is controlled by the intersection of twins. Particularly, the work hardening rate increases with decreasing twin thickness. 5. Brittle fracture occurs whenever the stress field of a blocked deformation twin cannot be screened by other defects, i.e. if the density of mobile dislocations is low. With increasing nitrogen content the stacking fault energy decreases and the frictional stress increases resulting in: IV 6. The planarity of glide becomes more pronounced and thus the stress peaks at glide plane intersections get increased. 7. With increased internal stress peaks the nucleation of deformation twins is activated at lower strain. Therefore, the twin thickness and the dislocation density decrease. 8. With decreasing twin thickness the work hardening rate increases. 9. The reduced dislocation density can give rise to brittle fracture. The microstructural argumentation, based on the stacking fault energy and the frictional stress as intrinsic properties, gives a consistent description of the plasticity of stable austenitic steels. V SYMBOLE a) Lateinische Symbole A Vorfaktor mit der Dimension einer Spannung a halber Disklinaüonsabstand im Dipol ao Gitterkonstante B Einstrahlrichtung bei TEM-Aufnahmen b,b Burgersvektor bz Burgersvektor einer Zwillingsversetzung cN Stickstoffkonzentration D =G/2jt(l-v) Modul mit der Dimension einer Spannung d =2a
doi:10.3929/ethz-a-000961951 fatcat:tcchtge2ircmxltdti7z6ivomy