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2023 | Buch

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Systematische Bewertung des defektdominierten Ermüdungsverhaltens der additiv gefertigten austenitischen Stähle X2CrNiMo17-12-2 und X2CrNiMo18-15-3

verfasst von: Felix Julian Stern

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Buchreihe : Werkstofftechnische Berichte │ Reports of Materials Science and Engineering

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Felix Julian Stern befasst sich in dieser Arbeit mit der Charakterisierung von Stählen, die mittels pulverbettbasierter Laserfusion gefertigt wurden. Von besonderer Bedeutung sind für additiv gefertigte Werkstoffe prozessbedingte Defekte wie Poren und Anbindungsfehler, die insbesondere unter Ermüdungsbeanspruchung durch ihre Kerbwirkung zu einem vorzeitigen Versagen des Werkstoffs führen. Aus diesem Grund liegt der Fokus der Untersuchungen zu einem Teil auf einer systematischen Herangehensweise zur Charakterisierung des Defekteinflusses auf die Ermüdungseigenschaften, indem Defekte mit definierter Größe, Form und Lage in einen austenitischen Chrom-Nickel-Stahl erzeugt wurden. An diesen Proben erfolgten Ermüdungsversuche, deren Ergebnisse in Kombination mit den Informationen über den künstlich eingebrachten Defekt dazu verwendet werden, zwei bruchmechanische Modelle von Murakami sowie von Shiozawa zur Beschreibung des Ermüdungsverhaltens zu validieren. Im zweiten Teil werden diese Modelle dazu genutzt, den Einfluss des Legierungselements Stickstoff in einem weiteren austenitischen Chrom-Nickel-Stahl zu untersuchen, wobei sowohl das Ermüdungsverhalten an Luft als auch in korrosivem Medium erfolgreich beschrieben wird. Diese Arbeit bietet somit Ansätze zur systematischen Bewertung des Einflusses von Defekten auf additiv gefertigte Werkstoffe und zur Beschreibung des Ermüdungsverhaltens unter korrosiver Beanspruchung.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung und Zielsetzung

Zusammenfassung

Die additive Fertigung (AM, engl. Additive Manufacturing) hat in den letzten Jahrzehnten insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, aber auch in der Automobilindustrie immer mehr an Relevanz gewonnen. Die unterschiedlichen AM-Verfahren bieten durch den schichtweisen Aufbau von Bauteilen eine beinahe unbegrenzte Designfreiheit, die die Umsetzung von topologieoptimierten Bauteilen, hochkomplexen Zellstrukturen, individuell angepassten Prothesen oder Funktionsintegration in Form von konturnahen Kühlkanälen ermöglichen. Damit einher gehen zusätzlich Aspekte, die insbesondere im Rahmen der aktuellen Diskussion zum Klimawandel an Relevanz gewinnen. Stichpunkte sind hier Ressourceneffizienz, Gewichtsreduzierung und damit verbundene Kraftstoff- und somit CO₂-Einsparung sowie eine schnelle und bedarfsgesteuerte Produktion (engl. Manufacturing on Demand).

Felix Julian Stern

Kapitel 2. Grundlagen und Stand der Technik

Zusammenfassung

Die AM von metallischen Werkstoffen gilt als eines der Herstellungsverfahren mit enormem Potenzial in den nächsten Jahren und Jahrzehnten aufgrund der einzigartigen Vorteile dieser Technik. Die industriell relevanten AM-Verfahren, als Gegenpart zu subtraktiven, also abtragenden Fertigungsverfahren, verwenden als Ausgangsmaterial entweder Pulver oder Drähte. Dieses wird mittels Energieeintrag lokal aufgeschmolzen, um so kontinuierlich ein Bauteil aufzubauen.

Felix Julian Stern

Kapitel 3. Werkstoffe und additive Fertigung

Zusammenfassung

Die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Werkstoffe entstammen der Klasse der austenitischen und korrosionsbeständigen CrNi-Stähle. Es wurden insgesamt zwei unterschiedliche Legierungen für die weiteren Untersuchungen verwendet, nämlich die Legierungen X2CrNiMo18-15-3 und X2CrNiMo17-12-2. In der Legierung X2CrNiMo17-12-2 wurde zusätzlich, wie im Folgenden beschrieben, zur Steigerung der mechanischen und chemischen Eigenschaften ein höherer N-Gehalt eingestellt.

Felix Julian Stern

Kapitel 4. Experimentelle Verfahren

Zusammenfassung

Für die Charakterisierung des Ausgangsgefüges und der Mikrostruktur wurden verschiedene zerstörende und zerstörungsfreie Verfahren genutzt, die im Folgenden aufgeführt sind. Für die unter Abschnitt 4.1.1 und 4.1.2 angegebenen Methoden ist eine entsprechende Probenpräparation erforderlich, die das Trennen der Proben, das Einbetten sowie das Schleifen und Polieren umfassen. Dabei wurden die Proben entsprechend ihrer Fertigungsrichtung im PBF-LB Prozess zugeschnitten, um Quer- (XY-) und Längsschliffe (XZ- bzw. YZ-) zu erzeugen. Die so erhaltenen Proben wurden mithilfe des Warmeinbettverfahren bei 180 °C eingebettet und anschließend sukzessive unter Verwendung von Siliziumkarbidpapier in den Körnungen P320 – P2000 geschliffen. Im Anschluss erfolgten zwei Politurschritte mit einer Diamantsuspension mit Partikelgrößen von d_p = 3 und 1 µm sowie einem abschließenden Politurschritt mittels Oxid-Polier-Suspension. Zur Darstellung des Gefüges wurden die Proben mit V2A-Beize angeätzt. Alternativ wurde an ausgewählten Proben das Ätzmittel nach Marble verwendet.

Felix Julian Stern

Kapitel 5. Ergebnisse und Diskussion

Zusammenfassung

Dieses Kapitel beschäftigt sich mit dem Einfluss von Defektgröße und -position auf das Ermüdungs- und Schädigungsverhalten im Stahl X2CrNiMo18–15−3 (im Folgenden 316LVM). Der Fokus liegt auf den mittels PBF-LB eingebrachten künstlichen Defekten sowie deren Auswirkung auf das Ermüdungsverhalten. Ziel ist es, eine Möglichkeit zu finden, das defektdominierte Ermüdungsverhalten von PBF-LB Werkstoffen im Allgemeinen zu beschreiben, indem die geometrischen Eigenschaften der rissinitiierenden Defekte berücksichtigt werden.

Felix Julian Stern

Kapitel 6. Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Themenschwerpunkte untersucht, wobei im ersten Teil gezeigt werden konnte, dass es möglich ist, das defektdominierte Ermüdungsverhalten des Werkstoffs X2CrNiMo18-15-3 auf Basis mittels PBF-LB eingebrachter künstlicher Defekte zu charakterisieren. Durch die Variation der Größe, Form und Position dieser Defekte ergaben sich in den Ergebnissen der Ermüdungsversuche hohe Streuungen in der Bruchlastspielzahl, die sowohl auf das Vorhandensein der künstlichen Defekte als auch auf prozessbedingte Oberflächendefekte zurückgeführt wurde. Ziel dieser Untersuchungen war zum einen, eine Möglichkeit zu finden, den Einfluss der Defekte auf das Ermüdungsverhalten bruchmechanisch zu bewerten, um eine um die Defekte bereinigte Darstellung des Ermüdungsverhaltens zu erreichen. Zum anderen sollte gezeigt werden, dass der systematische Ansatz, künstlich eingebrachte, aber eindeutig definierte Defekte mittels PBF-LB zu erzeugen, generell dazu geeignet ist, das erstgenannte Ziel zu erreichen.

Felix Julian Stern

Backmatter

Titel: Systematische Bewertung des defektdominierten Ermüdungsverhaltens der additiv gefertigten austenitischen Stähle X2CrNiMo17-12-2 und X2CrNiMo18-15-3
verfasst von: Felix Julian Stern
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-41927-1
Print ISBN: 978-3-658-41926-4
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-41927-1

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