In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen zum Initiierungs- und Ausbreitungsverhalten kurzer Ermüdungsrisse in einem austenitischen sowie einem austenitisch-ferritischen Edelstahl durchgeführt. Dazu erfolgten zyklische Verformungsexperimente sowohl ex situ als auch in situ im Rasterelektronenmikroskop. Die Auswertung der Experimente erfolgte im Rasterelektronenmikroskop sowohl abbildend in verschiedenen Modi als auch über Rückstreuelektronenbeugungsmessungen. Bezüglich der Rissinitiierung wurde eine Häufigkeitsverteilung der Rissinitiierungsorte für beide Stähle erstellt. Die dabei ermittelte stark unterschiedliche Häufigkeit für die transkristalline Rissinitiierung in der austenitischen Phase konnte mit der unterschiedlichen Textur und Mikrostruktur der beiden Stähle in Zusammenwirken mit den elastischen Eigenschaften der beiden Phasen erklärt werden. Für die Rissausbreitung wurde gezeigt, dass eine Korrelation zwischen der Risslänge und der Rissausbreitungsrate besteht, aus der hervorgeht, dass die Übergangsrisslänge zwischen den Bereichen der mikrostrukturell und mechanisch kurzen Risse etwa einen Korndurchmesser beträgt. Anhand der in situ Messung der (plastischen) Rissöffnung und -scherung wurden die Unterschiede im Rissausbreitungsverhalten in den verschiedenen Phasen herausgearbeitet. Für die austenitische Phase ergibt sich dabei ein öffnungsdominierter und für die ferritische Phase ein scherungsdominierter Mechanismus. Die im Ferrit auftretenden zwei unterschiedlichen Ausprägungen der Oberflächenrisspfade („rau“ und „glatt“) konnten mit der Orientierung der jeweils risstragenden Körner korreliert werden. In Zusammenwirken mit der beobachteten Systematik der Anordnung der Gleitspuren um kurze Risse im Ferrit sowie einer Analyse der Spannungsverteilung um die Rissspitze wurde ein Modell des Rissausbreitungsmechanismus\' erstellt sowie die bisher in der Literatur vorherrschende These des Einfachgleitens widerlegt. Schließlich konnte die Barrierenwirkung von Korn- und Phasengrenzen sowohl anhand der Messung der Rissausbreitungsrate als auch der plastischen Rissöffnung bzw. -scherung gezeigt und daraus Rückschlüsse auf die Ausdehnung der plastischen Zone vor der Rissspitze gezogen werden. Gleichzeitig wurde dabei die Korrelation zwischen Rissausbreitungsrate und plastischer Rissöffnung bzw. -scherung nachgewiesen.

In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen zum Initiierungs- und Ausbreitungsverhalten kurzer Ermüdungsrisse in einem austenitischen sowie einem austenitisch-ferritischen Edelstahl durchgeführt. Dazu erfolgten zyklische Verformungsexperimente sowohl ex situ als auch in situ im Rasterelektronenmikroskop. Die Auswertung der Experimente erfolgte im Rasterelektronenmikroskop sowohl abbildend in verschiedenen Modi als auch über Rückstreuelektronenbeugungsmessungen. Bezüglich der Rissinitiierung wurde eine Häufigkeitsverteilung der Rissinitiierungsorte für beide Stähle erstellt. Die dabei ermittelte stark unterschiedliche Häufigkeit für die transkristalline Rissinitiierung in der austenitischen Phase konnte mit der unterschiedlichen Textur und Mikrostruktur der beiden Stähle in Zusammenwirken mit den elastischen Eigenschaften der beiden Phasen erklärt werden. Für die Rissausbreitung wurde gezeigt, dass eine Korrelation zwischen der Risslänge und der Rissausbreitungsrate besteht, aus der hervorgeht, dass die Übergangsrisslänge zwischen den Bereichen der mikrostrukturell und mechanisch kurzen Risse etwa einen Korndurchmesser beträgt. Anhand der in situ Messung der (plastischen) Rissöffnung und -scherung wurden die Unterschiede im Rissausbreitungsverhalten in den verschiedenen Phasen herausgearbeitet. Für die austenitische Phase ergibt sich dabei ein öffnungsdominierter und für die ferritische Phase ein scherungsdominierter Mechanismus. Die im Ferrit auftretenden zwei unterschiedlichen Ausprägungen der Oberflächenrisspfade („rau“ und „glatt“) konnten mit der Orientierung der jeweils risstragenden Körner korreliert werden. In Zusammenwirken mit der beobachteten Systematik der Anordnung der Gleitspuren um kurze Risse im Ferrit sowie einer Analyse der Spannungsverteilung um die Rissspitze wurde ein Modell des Rissausbreitungsmechanismus\' erstellt sowie die bisher in der Literatur vorherrschende These des Einfachgleitens widerlegt. Schließlich konnte die Barrierenwirkung von Korn- und Phasengrenzen sowohl anhand der Messung der Rissausbreitungsrate als auch der plastischen Rissöffnung bzw. -scherung gezeigt und daraus Rückschlüsse auf die Ausdehnung der plastischen Zone vor der Rissspitze gezogen werden. Gleichzeitig wurde dabei die Korrelation zwischen Rissausbreitungsrate und plastischer Rissöffnung bzw. -scherung nachgewiesen.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung von CrNi-Stahl/Aluminium-Mischverbunden mit dem Ziel der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der Erhöhung der Lebensdauer der Lötverbindungen. Da sich die Eigenschaften der Fügepartner stark unterscheiden, ist ein geeignetes Fügeverfahren erforderlich. Die wesentliche Herausforderung besteht in der Vermeidung der Bildung von dicken intermetallischen Schichten in der Reaktionszone, welche die mechanischen Eigenschaften der resultierenden Lötverbindungen verschlechtern. Dementsprechend wird ausgehend vom Stand der Technik ein Konzept zur vollständigen Untersuchung der Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen der Mischverbunde erarbeitet und umgesetzt. Die Mischverbunde werden durch Induktionslöten hergestellt, was einen lokalen Wärmeeintrag in die Fügestelle ermöglicht. Dadurch können Lötverbindungen mit dünnen Reaktionszonen erzeugt werden. Das Potenzial der Lötverbindungen wird anhand von Zugscher- und Ermüdungsversuchen aufgezeigt, die mit den Ergebnissen der Mikrostrukturanalyse und der fraktografischen Bewertung korreliert werden.:Abkürzungen und Formelzeichen iii Abkürzungen iii Formelzeichen iv Abbildungsverzeichnis v Tabellenverzeichnis xi 1 Einleitung und Motivation 1 2 Stand der Technik 2 2.1 Anwendungen von Stahl/Aluminium-Mischverbunden 2 2.2 Stoffschlüssiges Fügen von Stahl/Aluminium-Mischverbunden 3 2.2.1 Schweißen von Stahl/Aluminium-Mischverbunden 3 2.2.2 Löten von Stahl/Aluminium-Mischverbunden 8 2.2.2.1 Grundlagen 8 2.2.2.2 Verfahren und Lotwerkstoffe 10 2.3 Besonderheiten bei Stahl/Aluminium-Mischverbunden 15 2.3.1 Intermetallische Fe-Al-Verbindungen in der Reaktionszone 15 2.3.2 Kontrolle der Bildung und des Wachstums der Reaktionszone 20 2.3.3 Problematik bei mechanischer Charakterisierung der Mischverbunde 23 3 Folgerungen und Zielstellung 27 4 Experimentelle Durchführung 29 4.1 Grund- und Lotwerkstoffe 29 4.2 Benetzungs- und Lötversuche 31 4.3 Mikrostrukturelle Charakterisierung 34 4.3.1 Mikrostrukturanalyse 34 4.3.2 Mikrohärtemessung und Nanoindentation 35 4.3.3 Thermische Auslagerung 37 4.4 Mechanische Charakterisierung 39 4.4.1 Zugscher- und Warmzugscherversuche 39 4.4.2 Ermüdungsversuche 40 5 Ergebnisse 43 5.1 Benetzungsverhalten 43 5.2 Mikrostrukturelle Untersuchungen 45 5.2.1 Mikrostruktur der Lötverbindungen und Bildung der Reaktionszone 45 5.2.2 Mechanische Charakteristika der Gefügebestandteile 55 5.3 Festigkeitsuntersuchungen 59 5.3.1 Quasistatische Untersuchungen gelöteter Mischverbunde 59 5.3.2 Ermüdungsverhalten gelöteter Mischverbunde 69 5.4 Korrelation zwischen Reaktionszonendicke und Festigkeit 81 6 Diskussion der Ergebnisse 88 7 Zusammenfassung und Ausblick 92 8 Anlagen 93 8.1 Übersicht der Benetzungsproben auf Stahl X5CrNi18-10 93 8.2 Übersicht der Benetzungsproben auf AlMn1Cu 94 8.3 Beispiel der Ergebnisse der EDX-Analyse 95 8.4 Härteverlauf über die Reaktionszone 96 8.5 EBSD-Analyse der Lötverbindung 97 8.6 Mikrozugversuche 98 8.7 TEM-Untersuchungen der hergestellten Lötverbindungen 99 9 Literaturverzeichnis 102 10 Normenverzeichnis 112 11 Publikationen 113 / This thesis deals with the production of aluminum/stainless steel mixed joints in order to improve the mechanical properties and to extend the lifetime of the joints. Because of the different physical properties of the joining partners, a suitable joining technique is necessary. In comparison to welding, brazing offers significant advantages due to the lower liquidus temperature of the used brazing fillers. The main challenge is to prevent the formation of thick intermetallic layers in the reaction zone. These layers deteriorate the mechanical properties of the resulting joints predominantly. Correspondingly, a concept for the complete investigation of the microstructure-property relationships of the brazed joints is investigated. The joints are produced by induction brazing, which takes place in a short process time and allows a local heat input into the joint. Therefore, joints with a thin intermetallic layer in the reaction zone can be manufactured. The potential of the joints is demonstrated using monotonic tensile shear tests as well as fatigue tests. The achieved results are correlated with the results of the microstructural and fractographic analysis.:Abkürzungen und Formelzeichen iii Abkürzungen iii Formelzeichen iv Abbildungsverzeichnis v Tabellenverzeichnis xi 1 Einleitung und Motivation 1 2 Stand der Technik 2 2.1 Anwendungen von Stahl/Aluminium-Mischverbunden 2 2.2 Stoffschlüssiges Fügen von Stahl/Aluminium-Mischverbunden 3 2.2.1 Schweißen von Stahl/Aluminium-Mischverbunden 3 2.2.2 Löten von Stahl/Aluminium-Mischverbunden 8 2.2.2.1 Grundlagen 8 2.2.2.2 Verfahren und Lotwerkstoffe 10 2.3 Besonderheiten bei Stahl/Aluminium-Mischverbunden 15 2.3.1 Intermetallische Fe-Al-Verbindungen in der Reaktionszone 15 2.3.2 Kontrolle der Bildung und des Wachstums der Reaktionszone 20 2.3.3 Problematik bei mechanischer Charakterisierung der Mischverbunde 23 3 Folgerungen und Zielstellung 27 4 Experimentelle Durchführung 29 4.1 Grund- und Lotwerkstoffe 29 4.2 Benetzungs- und Lötversuche 31 4.3 Mikrostrukturelle Charakterisierung 34 4.3.1 Mikrostrukturanalyse 34 4.3.2 Mikrohärtemessung und Nanoindentation 35 4.3.3 Thermische Auslagerung 37 4.4 Mechanische Charakterisierung 39 4.4.1 Zugscher- und Warmzugscherversuche 39 4.4.2 Ermüdungsversuche 40 5 Ergebnisse 43 5.1 Benetzungsverhalten 43 5.2 Mikrostrukturelle Untersuchungen 45 5.2.1 Mikrostruktur der Lötverbindungen und Bildung der Reaktionszone 45 5.2.2 Mechanische Charakteristika der Gefügebestandteile 55 5.3 Festigkeitsuntersuchungen 59 5.3.1 Quasistatische Untersuchungen gelöteter Mischverbunde 59 5.3.2 Ermüdungsverhalten gelöteter Mischverbunde 69 5.4 Korrelation zwischen Reaktionszonendicke und Festigkeit 81 6 Diskussion der Ergebnisse 88 7 Zusammenfassung und Ausblick 92 8 Anlagen 93 8.1 Übersicht der Benetzungsproben auf Stahl X5CrNi18-10 93 8.2 Übersicht der Benetzungsproben auf AlMn1Cu 94 8.3 Beispiel der Ergebnisse der EDX-Analyse 95 8.4 Härteverlauf über die Reaktionszone 96 8.5 EBSD-Analyse der Lötverbindung 97 8.6 Mikrozugversuche 98 8.7 TEM-Untersuchungen der hergestellten Lötverbindungen 99 9 Literaturverzeichnis 102 10 Normenverzeichnis 112 11 Publikationen 113