Einfluss der Probengröße und der Kornorientierung auf die Lebensdauer einer polykristallinen Ni-Basislegierung bei LCF- Beanspruchung

In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der Probengröße und der Kornorientierung auf die Lebensdauer der konventionell gegossenen Nickelbasis Superlegierung RENE 80 im Low Cycle Fatigue Bereich untersucht. Dabei wurden 5 Probengeometrien mit signifikant unterschiedlichen höchstbeanspruchten Werkstoffoberflächen und Kerbformzahlen eingesetzt: 3 Geometrien mit zylindrischer Messstreckenoberfläche (G1-G3) und zwei Kerbgeometrien mit Formzahlen von a1 = 1,62 (KG1) und a2 = 2,60 (KG2), die einen maximalen Unterschied der schädigungsrelevanten Werkstoffoberfläche von etwa einem Faktor 72 aufweisen. Zur Quantifizierung des Größeneffekts auf die Lebensdauer wurde im Vorfeld für die Proben, bei denen aufgrund der stark verkleinerten Geometrie eine direkte Dehnungsmessung in der Messstrecke nicht möglich war, Korrekturfaktoren ermittelt, um die maximalen Dehnungsamplituden innerhalb der höchstbeanspruchten Oberflächenbereiche zu erfassen. Zusätzlich wurde ein einheitliches Versagenskriterium mit einer Rissfläche von 0,962mm2 festgelegt. Die Untersuchungen umfassten insgesamt isotherme 116 LCF-Versuche an den unterschiedlichen Probengeometrien, die totaldehnungskontrolliert mit einem Dehnungsverhältnis (Minimaldehnung / Maximaldehnung) von Re =-1 bei einer Temperatur von 850°C erfolgten. Die Belastungszyklen waren dreiecksförmig mit einer Frequenz von 0,1Hz bei hohen Belastungsamplituden und einer Frequenz von 1Hz bei niedrigen Dehnungsamplituden. Im Anschluss an die LCF-Versuche wurden die Ermüdungsbruchflächen aller Proben zur detaillierten Analyse der Schädigungsprozesse und der Rissinitiierungspunkte mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops fraktographisch untersucht. Zusätzlich wurden Rückstreuelektronenbeugungs- (EBSD-) Messungen zur Bestimmung der Kornorientierungen durchgeführt. Auf Grund der Tatsache, dass die Risse im allgemeinen an Gleitbändern in den Anrisskörnern initiieren, wurden die Untersuchungen auf das Anrisskorn ausgerichtet und aus den Kornorientierungen die lokalen Schmidfaktoren sowie die maximalen Schubspannungen innerhalb der Hauptgleitsysteme in der (111) Ebene und der Richtung berechnet. Die Fokussierung auf das Anrisskorn setzte eine zielgenaue Präparation von Längsschliffen voraus, weshalb nur die auf niedrigem Belastungsniveau beanspruchten Proben mit eindeutigen Rissausgangspunkten untersucht werden konnten. Anschließend wurde das Lebensdauerverhalten der Proben unter Berücksichtigung der maximalen Schubspannungen sowie der lokalen Kornorientierungen an den Anrisspunkten betrachtet. Die Wöhlerkurve der maximalen Schubspannungen in den Hauptgleitsystemen am Anrissort resultierte in deutlich reduzierten Lebensdauerstreuung und einem stark verminderten Größeneffekt