Metalle, die zyklischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, zeigen bereits vor der Anrissbildung typische Veränderungen des Gefüges. Bei austenitischen Stählen verursacht Ermüdungsbelastung die Bildung charakteristischer Versetzungsanordnungen. Unter bestimmten Umständen tritt die Bildung von Verformungsmartensit auf, die von einer starken Veränderung der magnetischen Werkstoffeigenschaften begleitet wird. Zwischen der aufgebrachten Ermüdungsbelastung und den beschriebenen Gefüge- und Eigenschaftsveränderungen einerseits und Restlebensdauer eines Bauteils andererseits sollten Zusammenhänge systematisch untersucht werden. Hierfür wurden verschiedene zerstörungsfreie Methoden eingesetzt und ihre Empfindlichkeit verglichen. Die Gefüge der ermüdeten Zustände wurden auch mit metallographischen, elektronenoptischen und röntgenographischen Methoden charakterisiert. Zwischen den Ermüdungsparametern und den Gefügeveränderungen wird ein Zusammenhang hergestellt, insbesondere zwischen der Restlebensdauer und dem Volumenanteil an Martensit. Der Einfluss der chargenabhängigen Werkstoffeigenschaften und der Belastungsbedingungen auf das martensitische Umwandlungsverhalten wurde in statischen und zyklischen Experimenten untersucht. Anhand der Entwicklung des Martensitgehaltes im Verlauf der Ermüdung wird ein Bewertungsschema für die Abschätzung der Restlebensdauer vorgeschlagen.

Die Arbeit beinhaltet die umfassende Charakterisierung des Festigkeits- und Zähigkeitsverhaltens von entkohlend geglühtem Temperguß, der in unterschiedlichen Qualitäten von drei Gießereien bereitgestellt wurde. Im Rahmen des Versuchsprogramms wurden die gefügeabhängigen mechanischen und bruchmechanischen Kennwerte in Abhängigkeit von der Temperatur bei statischer, dynamischer und zyklischer Beanspruchung bestimmt. Sie gestatten damit die vergleichende Einordnung des entkohlend geglühten Tempergusses in vorliegende Ergebnisse anderer Gußeisenwerkstoffe und sind Grundlage sowohl für eine beanspruchungsgerechtere Werkstoffauswahl bzw. Bruchsicherheitsbewertung als auch für die Ableitung qualitätssichernder Maßnahmen. Der Vorteil bruchmechanischer Kennwerte als Voraussetzung für eine beanspruchungsgerechte Bruchsicherheitsbeurteilung von Gußteilen unter Einbeziehung von gießtechnischen Imperfektionen wurde am Beispiel einer bruchmechanischen Bewertung der Verbundschweißung Temperguß - Stahl demonstriert.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die umfassende Bewertung des Festigkeits- und Zähigkeitsverhaltens von schwarzem Temperguss, der in den Qualitäten GTS-35-10, GTS-45-06 und GTS-65-02 vorlag und somit eine gezielte Bewertung des Einflusses ferritischer, ferritisch-perlitischer und perlitischer Grundgefüge erlaubte. Im Rahmen des Versuchsprogramms wurden die gefügeabhängigen mechanischen und bruchmechanischen Kennwerte in Abhängigkeit von der Temperatur bei statischer, dynamischer und zyklischer Beanspruchung bestimmt. Sie gestatten damit die vergleichende Einordnung von Gusseisenwerkstoffen mit globularer und vermicularer Graphitausbildung und ermöglichen die Bewertung des Einflusses der Graphitausbildung auf den Risseinleitungs- und Rissausbreitungswiderstand. Die vorliegenden Ergebnisse sind Grundlage sowohl für eine beanspruchungsgerechtere Werkstoffauswahl bzw. Bruchsicherheitsbewertung als auch für die Ableitung qualitätssichernder Maßnahmen.

Die vorliegende Arbeit umfasst die Entwicklung, Implementierung und Anwendung von Verfahren zur Parameteridentifikation schädigungsmechanischer Materialgesetze. Die duktile Schädigung wird auf kontinuumsmechanischer Basis durch Erweiterung der von Mises Fließbedingung mit dem Gurson-Tvergaard-Needleman sowie mit dem Rousselier Modell beschrieben. Das klassische Rousselier Modell wird dabei für beschleunigtes Porenwachstum und Porennukleation ergänzt. Das nichtlineare Rand- und Anfangswertproblem wird mit dem finite Elemente System SPC-PMHP berechnet, welches im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) 393 für Parallelrechner entwickelt wurde. Im Zusammenhang mit der Entfestigung des Materials wird ein Lokalisierungskriterium für die Dehnungen im geometrisch nichtlinearen Fall angegeben. Die Identifikation der Materialparameter erfolgt über gemessene Kraft-Verschiebungskurven, lokale Verschiebungsfelder und über den Zeitpunkt der Lokalisierung. Dazu wird ein nichtlinearer Optimierungsalgorithmus verwendet, der mittels Gradientenverfahren die Zielfunktion in das nächste Minimum überführt. Eine semianalytische Sensitivitätsanalyse liefert die Ableitungen der Verschiebungen und Kräfte nach den Parametern. Verschiedene numerische Untersuchungen geben Aufschluss über die anzuwendende Optimierungsstrategie. Abschließend werden die lokalen Verschiebungsfelder mit dem Objektrasterverfahren sowie die Kraft-Verschiebungskurven an gekerbten Flachzugproben aus StE 690 ermittelt und die Parameter des Materials identifiziert.

Zur Vertiefung des Verständnisses der Wälzfestigkeit von Gradientenschichten wurden gasnitrierte Proben an Wälzprüfständen beansprucht und nachfolgend umfassend untersucht. Durch die Verbindung werkstoffwissenschaftlicher und mechanischer Betrachtungen wurde ein weiterführendes Wälzfestigkeitskriterium abgeleitet. Nachfolgend wurde die Abbildbarkeit der Wälzbeanspruchung mit Hilfe der FEM analysiert. Dafür wurden umfangreiche Materialdaten der Gradientenschicht ermittelt.

In this study a series of novel Fe-based materials derived from a bulk metallic glass-forming composition was investigated to improve the ductility of this high-strength glassy alloy. The interplay between the factors chemistry, structure and resulting mechanical properties was analyzed in detail. It has been recognized that subtle modifications of the chemical composition (carbon addition) lead to appreciable changes in the phase formation, which occurs upon solidification (from a single-phase structure to composite materials). As a consequence, significant differences in the mechanical response of the particular samples have been observed. The materials developed here were fabricated by centrifugal casting. To explore the structure features of the as-cast cylinders, manifold experimental techniques (X-ray diffraction, optical, as well as electron microscopy) were employed. The occurrence of the numerous reflections on the X-ray diffraction patterns has confirmed the crystalline nature of the studied Fe-based alloy systems. The subsequent extensive research on their deformation behavior (Vickers hardness and room temperature compression tests) has revealed that, although the glass-forming ability of the investigated compositions is not high enough to obtain a glassy phase as a product of casting, excellent mechanical characteristics (high strength - comparable to that of the reference bulk metallic glass (BMG) - associated with good ductility) were achieved for the “composite-like” alloys. In contrast, the single phase cylinders, subjected to compressive loading, manifested an amazing capacity for plastic deformation – no failure occurred. The fracture motives developed during deformation of the “composite-structured” samples were studied by scanning electron microscopy. The main emphasis has been put on understanding the mechanisms of crack propagation. Owing to the structural complexity of the deformed samples, it was crucial to elucidate the properties of the individual compounds. Based on the obtained results it was concluded that the coexistence of a soft f.c.c. γ-Fe phase in combination with a hard complex matrix is responsible for the outstanding mechanical response of the tested composites. While the soft particles of an austenite contribute to the ductility (they hinder the crack propagation and hence, cause unequivocal strain-hardening), the hard constituents of the matrix phase yield the strength.

Die Eigenschaften der kommerziell verfügbaren Hochtemperaturwerkstoffe bestimmen den Wirkungsgrad und die Leistungsfähigkeit von Flug- und Industriegasturbinen sowie Motoren. Da die breit eingesetzten Nickelbasis-Werkstoffe mit etwa 8-8,5 g/cm^3 eine verhältnismäßig hohe Dichte aufweisen, wird seit Jahrzehnten nach alternativen Werkstoffen gesucht. Da besonders die Titanaluminide, speziell die stark Nb-haltigen gamma-TiAl-Legierungen (TNB-Legierungen), mit einer Dichte von ca. 4,5 g/cm^3 einen beträchtlichen Dichtegewinn gegenüber den Nickelbasis-Superlegierungen bieten, haben Legierungen auf dieser Basis das größte Potenzial, um die Nickelbasis-Superlegierungen teilweise zu ersetzen. Im Fluggasturbinenbau ist die Anwendung für den hinteren Teil des Hochdruckverdichters und die letzten Stufen der Turbine angedacht. Dabei sollen Schaufeln, Gehäuse und Anbauteile aus modernen gamma-TiAl-Legierungen zum Einsatz kommen. Für die Auslegung dieser Bauteile sind umfassende Kenntnisse des Werkstoffverhaltens zwingend notwendig. Treten im Betrieb hohe Temperaturgradienten in den Bauteilen auf, so muss besonders auch das thermomechanische Ermüdungsverhalten betrachtet werden. Dieses stellt insbesondere für den Einsatz in Gasturbinen einen relevanten Schädigungsmechanismus dar. Inhalt dieser Arbeit war die Charakterisierung des thermomechanischen Verformungs- und Ermüdungsverhaltens der modernen gamma-TiAl-Legierung TNB-V5. Dabei wurden die Einflüsse der Mikrostruktur, der Phasenbeziehung zwischen thermischer und mechanischer Beanspruchung, des Temperaturbereiches und der Höhe der mechanischen Beanspruchung untersucht. Zum Verständnis der Ergebnisse wurden moderne Methoden der Mikrocharakterisierung angewandt. Zur Beschreibung des Lebensdauerverhaltens wurden der Schädigungsparameter PSWT nach Smith, Watson und Topper und der Schädigungsparameter PHL nach Haibach und Lehrke erfolgreich angewandt. Es wurden folgende, wesentlich über den bisherigen Stand des Wissens hinausgehende Erkenntnisse gewonnen: Eine Beanspruchung mit der Phasenbeziehung Clockwise-Diamond (CD) bzw. Counter-Clockwise-Diamond (CCD) führt im Gegensatz zur In-Phase- (IP) oder Out-of-Phase- (OP) Beanspruchung nur zu geringen Unterschieden zwischen den Beträgen der Ober- und der Unterspannung. Unter CD- und CCD-Beanspruchung kommt es zu nahezu keinen bzw. im Vergleich zur IP- und OP-Beanspruchung deutlich geringeren Zug- oder Druckmittelspannungen. Des Weiteren unterscheiden sich die Spannungs-Dehnungs-Hysteresekurven unter CD- bzw. CCD-Beanspruchung nur sehr wenig. Die Bruchlastspielzahlen der CD- und CCD-Versuche liegen immer zwischen denen der IP- und OP-Versuche. Für eine Lebensdauervorhersage unter thermomechanischer Beanspruchung sind die Schädigungsparameter PSWT nach Smith, Watson und Topper und PHL nach Haibach und Lehrke gut geeignet, wenn der Versuchs- bzw. Anwendungstemperaturbereich Temperaturen oberhalb des Spröd-Duktil-Überganges (ca. 750°C) beinhaltet. Ist dies der Fall, dann weichen die experimentell ermittelten Lebensdauern im betrachteten Bereich (Bruchlastspielzahl ca. 50 – 3000) maximal um den Faktor ±3 von den vorhergesagten Werten ab. Der Einfluss der Mikrostruktur auf das zyklische Verformungs- und Ermüdungsverhalten ist unter den betrachteten Bedingungen überraschend gering. Die Mikrostrukturen Near-Gamma und Duplex zeigen unter allen Versuchsbedingungen vergleichbare Lebensdauern, während das Fully-Lamellar-Gefüge tendenziell etwas höhere Lebensdauern aufweist. Weiterhin stellen die gewonnenen Ergebnisse eine wertvolle Datenbasis für die Auslegung von thermomechanisch beanspruchten Komponenten im Turbinen- und Motorenbau dar.

In Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Charakterisierung einer hochtonerdehaltigen Feuerfestmasse mit Spinellzusatz vorgenommen. Es wurde eine weitgehende Übereinstimmung bei der Untersuchung der Feuerfestmasse unter Labor- und Betriebsbedingungen gefunden und die ermittelten Ergebnisse konnten auf reale Betriebsbedingungen übertragen werden. Das im Rahmen der Arbeit erarbeitete Programm zur Vorhersage der Zustellungshaltbarkeit nach bestimmten Chargenzahlen führt zur Optimierung der Einsatzplanung und Reparaturdurchführung und kann für die Kontrolle der Pfannenverfügbarkeit im Stahlwerk herangezogen werden.

Hoch manganhaltige Eisenbasislegierungen sind bei Raumtemperatur austenitisch und antiferromagnetisch (afm). Dabei besteht die Besonderheit, dass sich durch Legierung die afm Übergangstemperatur (Néeltemperatur) so einstellen lässt, dass sie nahe Raumtemperatur liegt. FeMn-Basislegierungen zeigen in Abhängigkeit von der Zusammensetzung Transformation Induced Plasticity (TRIP) und/oder Twinning Induced Plasticity (TWIP), d.h. die niedrige Stapelfehlerenergie dieser Legierungen führt zu verformungsinduzierter, metastabiler Phasenbildung (TRIP) bzw. zur Bildung von Verformungszwillingen (TWIP) und dadurch zu außerordentlich hoher Duktilität bei gleichzeitig hoher Verfestigung. Darüber hinaus haben FeMn-Basislegierungen einen ausgeprägten Magnetovolumeneffekt und magnetoelastischen Effekt durch magnetische Ordnung. Daher sind die untersuchten FeMnNiCr-Basislegierungen auch prototypisch für afm Élinvarlegierungen. Da Élinvar jedoch für invariable Elastizität steht, bedingt eine Anwendung als temperaturkompensierte Konstantmodullegierungen die Glättung der ausgeprägten magnetischen Anomalien, die industriell noch in keiner Anwendung realisiert wurde. Der Vorteil dies für eine Anwendung zu erreichen, läge in der Unempfindlichkeit feinmechanischer Bauelemente, gegenüber magnetischen Feldern, die bei den industriell verfügbaren ferromagnetischen Élinvarlegierungen nicht gewährleistet ist. Mit Bezug zu feinmechanischen Schwingsystemen spielen dabei neben der Einstellung der magnetoelastischen Eigenschaften die Prozessierbarkeit, Kaltumformbarkeit und Festigkeit sowie deren wechselseitige Beeinflussung eine große Rolle. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit der Anwendbarkeit der untersuchten FeMnNiCr-Legierungen. Dabei wurden grundlegende Untersuchungen zur Plastizität durchgeführt, die die mechanische Zwillingsbildung in diesen Legierungen charakterisiert und ein Modell der mechanischen Zwillingsbildung bei kleinen plastischen Dehnungen vorschlägt, das eine Abschätzung der Stapelfehlerenergie erlaubt. Die Untersuchung des Antiferromagnetismus umgeformter Proben zeigt das Auftreten thermoremanenter Magnetisierung (TRM), deren Größe mit dem Umformgrad der untersuchten Proben skaliert. Sie wird den durch Umformdefekte erzeugten unkompensierten Momenten in der afm Spinstruktur zugeschrieben. Diese werden durch eine magnetische Feldkühlung magnetisiert und koppeln durch Austauschwechselwirkung an die umgebende antiferromagnetische Matrix unterhalb der Néeltemperatur. Das komplexe thermomagnetische Verhalten der unkompensierten Momente wird experimentell beschrieben und phänomenologisch gedeutet. Die Weiterentwicklung und Bewertung technischer, ausscheidbarer FeMnNiCrBe- und FeMnNiCr(Ti, Al)-Legierungen wird mit Bezug zu den grundlegenden Untersuchungen dargestellt. Es wird gezeigt, dass die neu entwickelten ausscheidbaren FeMnNiCr(Ti, Al)-Legierungen eine vielversprechende Ausgangsbasis darstellen, afm Élinvarlegierungen technisch umzusetzen. / High manganese iron-base alloys are austenitic and antiferromagnetic (afm) at room temperature. By further alloying it is possible to tune the afm transition temperature (Néel temperature) near room temperature. FeMn-base alloys show extraordinary strain hardening as well as ductility because of Transformation Induced Plasticity (TRIP) and/or Twinning Induced Plasticty (TWIP), i.e. in dependence on composition the generally low stacking fault energy in these alloys allows for the mechanically induced formation of metastable phases (TRIP) or deformation twinning (TWIP). Furthermore, magnetic order causes distinct magnetovolume and magnetoelastic effects in these afm FeMn-base alloys. The investigated FeMnNiCr-base alloys are therefore prototypic for afm Élinvar alloys. However, as Élinvar is meant for invariant elasticity, an application as temperature compensated alloy with constant elastic modulus requires the smoothing of the pronounced magnetic anomalies, that is not industrially available yet. The advantage of afm Élinvar alloys in precision mechanics applications, would be their impassiveness with respect to magnetic fields that is not achievable by their ferromagnetic counterparts. For precision components like mechanic oscillators not only the tuning of the magnetoelastic properties but also the processing, cold formability and mechanical properties as well as their interplay have strong influence. Therefore this work addresses the applicability of the studied FeMnNiCr alloys. Elementary investigations on plasticity characterise the occurrence of TWIP in these alloys and propose a modell for deformation twinning at low plastic strains that allows for an estimation of the stacking fault energy. The investigations on the antiferromagnetism of deformed samples show the appearance of thermoremanent magnetisation (TRM). Its magnitude scales with the degree of deformation. The TRM is therefore attributed to uncompensated moments in the afm spin structure due to deformation induced defects. These are magnetised by a magnetic field cooling and couple to the afm matrix by exchange interaction below the Néel temperature. The complex thermomagnetic behaviour of the uncompensated moments is experimentally described and phenomenologically explained. The further development and assessment of engineering-grade pecipitable FeMnNiCrBe and FeMnNiCr(Ti, Al) alloys is presented in relation to the aforementioned elementary investigations. It is shown that the newly developped precipitable FeMnNiCr(Ti, Al) alloys are good candidates for afm Élinvar alloys in application.

Das Örtliche Konzept dient der Berechnung von Lebensdauern zyklisch belasteter Konstruktionen. Dabei wird die Ermüdungsfestigkeit des ungekerbten Werkstoffes zugrundegelegt, um die Bauteillebensdauer abzuschätzen. Mit dieser Annahme verbunden ist ein starke Vereinfachung des Ermüdungsvorganges. Die Ursache ist die unzureichende Berücksichtigung wesentlicher Einflußgrößen, die die Festigkeit des interessierenden Bauteiles bestimmen und die andere Ausprägung als an der Werkstoffprobe erfahren. Dadurch ist die Zuverlässigkeit der Rechnung reduziert. Die vorliegende Arbeit untersucht und klassifiziert die Ursachen für dieses Übertragbarkeitsproblem. Mit einem sehr flexiblen multiplikativen Ansatz, der technologischen, statistischen und spannungsemchanischen Effekt berücksichtigt, läßt sich der Unterschied zwischen Festigkeit des Bauteils und der Werkstoffprobe rechnerisch erfassen. Zur numerischen Betrachtung technologischer und statistischer Einflüsse kann auf bereits bestehendes Wissen zurückgegriffen werden. Dies wird konzeptbezogen und mit Rücksicht auf die Anwendung angepaßt. Die Berücksichtigung des spannungsmechanischen Einflusses hingegen kann nicht von Bestehendem abgeleitet werden. Dazu wird aus einer umfangreichen Sammlung experimenteller Ergebnisse dieser Einflufaktor abgeleitet. Aus der so gegebenen Stichprobe lassen sich durch eine statistische Auswertung eine Reihe von Kennwerten identifizieren, die die Stützwirkung maßgeblich beeinflussen. Darauf aufbauend wird eine Bestimmungsgleichung für den spannungsmechanischen Einflußfaktor abgeleitet. Somit ist ein Stützwirkungskonzept geschaffen, das es erlaubt, die drei wesentliche Aspekte technologischen, statistischen und spannungsmechanischen Einfluß qualitativ uind quantitativ ins Örtliche Konzept zu integrieren. Mit dieser Vorgehsweise und einer vorliegenden Werkstoffwöhlerlinie läßt sich die bauteilspezifische Festigkeit abschätzen. Die so abgeleitete Wöhlerlinie erlaubt eine wesentlich genauere Lebensdauerberechnung, wie die Kotrolle an umfangreichen, unabhängigen Daten beweist. / The local strain concept serves to estimate the service life of cyclically loaded structures. Here the fatigue strength of the mere material coupon is taken as the basis in the calculation for notched components. This represents a distinct simplification of the complex fatigue process because of disregarding the relevant influences that determine strength and durability. By that the reliability of the calculation is not yet satisfying. The present investigation first classifies the reasons for this problem of transferabillity between notched component and unnotched specimen. A simple but flexible approach is used to describe the technological, statistical and and gradient effect. To consider the technological influences and statistical size effect numerically, known relationships and procedures are taken and adapted to the methodology of the concept. To catch gradient effects a new stress-relief-concept was developed. From a comprehensive database of experimental results gradient effects were were separated. By a statistical analysis relevant variables that govern the stress-relief are identified. Using these, an equation gets derived which enables to compute the gradient effects on fatigue strength. The developed stress-relief-concept allows to estimate a component-related strain(parameter-)-life-curve. Lifetime predictioins based on this are by far more reliable than those based on materials data only. This is verified by a check on an extensive and independent database.