Zum Einfluss verschiedener Oberflächenbehandlungen auf die Randschichteigenschaften und das Ermüdungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle

Hochmanganhaltige Stähle (HMnS) sind im Vergleich zu konventionellen Stählen durch hohe Festigkeiten bei einer gleichzeitig ausgezeichneten Duktilität charakterisiert. Diese außergewöhnlichen Eigenschaften lassen sich auf die Aktivierung unterschiedlicher Verformungsmechanismen zurückführen: Neben reinem Versetzungsgleiten können eine verformungsinduzierte Zwillingsbildung (TWIP-Effekt) sowie eine verformungsinduzierte martensitische Phasenumwandlung (TRIP-Effekt) auftreten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss verschiedener Oberflächenbehandlungsverfahren auf die Randschichteigenschaften und das Ermüdungsverhalten des hochmanganhaltigen Stahls X40MnCrAl19-2 untersucht. Neben dem Kugelstrahlen kam dabei vorwiegend das Festwalzen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zum Einsatz. Unter Verwendung hochauflösender elektronenmikroskopischer Analysemethoden sowie der Röntgendiffraktometrie wurden tiefgehende Einblicke in die mikrostrukturellen Mechanismen der oberflächenbehandelten Randschichten gewonnen. Eine detaillierte Analyse des zyklischen Spannung-Dehnung-Verhaltens (ZSD-Verhalten) ermöglichte im Zusammenspiel mit den Randschichteigenschaften schließlich eine Bewertung der Ermüdungseigenschaften der randschichtbehandelten Zustände im Zeitfestigkeitsbereich. Die Ergebnisse zeigen, dass die Randschichten in Abhängigkeit von den untersuchten Prozesstemperaturen durch unterschiedliche Mechanismen charakterisiert sind. Während tiefe Temperaturen eine verformungsinduzierte Phasenumwandlung induzieren (TRIP-Effekt), sind die Randschichten nach Oberflächenbehandlungen bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen durch die Bildung von Verformungszwillingen (TWIP-Effekt) charakterisiert. In Abhängigkeit des Werkstoffwiderstands gegen eine plastische Verformung sind die Zustände zudem durch unterschiedliche Wirktiefen sowie Randschichthärte- und Eigenspannungstiefenprofile gekennzeichnet. Das aus den Ermüdungsversuchen abgeleitete ZSD-Verhalten ermöglicht eine auf der Wirktiefe der Oberflächenbehandlungsverfahren basierende Einteilung der untersuchten Zustände in Gruppen unterschiedlich hoher plastischer Dehnungsanteile. Der Einfluss der Wirktiefe kann über ein Rand-Kern-Modell erklärt werden, das im Zusammenspiel mit den Randschichteigenschaften eine abschließende Bewertung des Dauerschwingverhaltens in Abhängigkeit von den verschiedenen Oberflächenbehandlungsverfahren ermöglicht. Die Erkenntnisse umfassender Bruchflächenanalysen können zudem genutzt werden, um kritische Belastungsniveaus zu identifizieren, ab denen es infolge zu hoher plastischer Dehnungsanteile zu Instabilitäten der Randschichteigenschaften kommt.