Accessible Unlicensed Requires Authentication Published by De Gruyter May 28, 2013

Charakterisierung der Schädigungsentwicklung in ultrafeinkörnigem IF Stahl mittels digitaler Bildkorrelation*

Characterization of the damage development in Ultrafine-Grained Interstitial-Free Steel by Digital Image Correlation
Thomas Niendorf and Hans J. Maier
From the journal Materials Testing

Kurzfassung

Ultrafeinkörniger (interstitial-free) IF-Stahl zeichnet sich durch hervorragende mechanische Eigenschaften unter monotoner und auch zyklischer Belastung aus. Es hat sich jedoch gezeigt, dass sich die Schädigungsentwicklung in den untersuchten IF-Stahl-Proben teilweise ungewöhnlich darstellt. Die Bruchflächen der Ermüdungsproben sind bei Proben aus verschiedenen Prozessrouten nicht wie erwartet senkrecht zur Belastungsachse ausgerichtet. Zur Untersuchung der Schädigungsentwicklung wurde die lokale Verformung mittels des Verfahrens der lokalen Bildkorrelation ausgewertet. Die Messungen der Akkumulation der lokalen plastischen Dehnungen liefern bereits in frühen Stadien der Belastung Hinweise auf die versagensrelevanten Strukturen. Somit sind gezielte mikrostrukturelle Untersuchungen der für die Schädigungsentwicklung relevanten Probenbereiche möglich und die Ergebnisse zeigen, dass bei nicht optimiertem Herstellprozess im ultrafeinkörnigen IF-Stahl lokal Mikrostrukturen entstehen, welche die Schädigungsentwicklung stark begünstigen.

Abstract

Ultrafine-grained (UFG) interstitial-free (IF) steel is characterized by extraordinary mechanical properties under monotonic and cyclic loading. However, unusual damage evolution was observed in some UFG-IF steel samples from specific processing routes. In particular, cracks in fatigued samples did not propagate perpendicular to the loading axis. In order to characterize the evolution of damage localized strain fields were investigated by means of digital image correlation. It is demonstrated that monitoring the accumulation of localized strains is an efficient tool that allows for identification of the critical microstructural features already in the very early stages of deformation. Thus, the microstructural features leading to failure upon further loading could be investigated in detail by means of electron-optical microscopy. In case of the UFG-IF steel, process-induced microstructural heterogeneities were identified, which promoted failure along characteristic directions.


*

Erweiterte Fassung des Beitrags zur Tagung Gefüge und Bruch 2009.

Prof. Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier, Jahrgang 1960, studierte Werkstoffwissenschaften an der Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg. Die Promotion erfolgte 1990 am Lehrstuhl für Korrosion und Oberflächentechnik. Von 1990 bis 1993 leitete er die Arbeitsgruppe Elektronenmikroskopie am Lehrstuhl für Allgemeine Werkstoffeigenschaften der FAU. Mit der Ernennung zum Oberingenieur im Jahre 1993 übernahm er die Leitung der Arbeitsgruppe Materialermüdung am Institut für Werkstofftechnik der Universität Siegen. 1996 verbrachte er einen einjährigen Forschungsaufenthalt am Department of Mechanical Engineering der University of Illinois, USA. Im März 1999 erfolgte die Berufung auf den Lehrstuhl für Werkstoffkunde an der Universität Paderborn.

Dipl.-Ing. Thomas Niendorf, Jahrgang 1978, studierte Maschinenbau an der Universität Paderborn. Er arbeitet seit September 2005 als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Werkstoffkunde der Universität Paderborn. Sein Arbeitsschwerpunkt liegt auf der Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens metallischer Werkstoffe. Im Jahr 2008 wurde er mit dem Nachwuchspreis der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde ausgezeichnet.


Literatur

1 R. Z.Valiev, A. V.Korznikov, R. R.Mulyukov: Structure and properties of ultrafine-grained materials by severe plastic deformation, Mater. Sci. Eng. A168 (1993), S. 14114810.1016/0921-5093(93)90717-SSearch in Google Scholar

2 R. Z.Valiev, I. V.Alexandrov, Y. T.Zhu, T. C.Lowe: Paradox of strength and ductility in metals processed by severe plastic deformation, J. Mater. Res.17 (2002), S. 58Search in Google Scholar

3 R. Z.Valiev, T. G.Langdon: Principles of equal-channel angular pressing as a processing tool for grain refinement, Progr. Mater. Sci.51 (2006), S. 88198110.1016/j.pmatsci.2006.02.003Search in Google Scholar

4 V. M.Segal: Materials processing by simple shear, Mater. Sci. Eng. A197 (1995), S. 15716410.1016/0921-5093(95)09705-8Search in Google Scholar

5 A. P.Zhilyaev, G. V.Nurislamova, B. K.Kim, M. D.Baró, J. A.Szpunar, T. G.Langdon: Experimental parameters influencing grain refinement and microstructural evolution during high-pressure torsion, Acta Mater.51 (2003), S. 75376510.1016/S1359-6454(02)00466-4Search in Google Scholar

6 H. W.Höppel, J.May, M.Göken: Enhanced strength and ductility in ultrafine-grained aluminium produced by accumulative roll bonding, Adv. Eng. Mater.6 (2004), S. 219222Search in Google Scholar

7 H.Gleiter: Nanocrystalline materials, Progr. Mater. Sci.33 (1989), S. 233315Search in Google Scholar

8 T.Niendorf, D.Canadinc, H. J.Maier, S. G.Sutter: On the microstructural stability of ultrafine-grained interstitial-free steel, Int. J. Mater. Res.97 (2006), S. 1328133610.1007/s11661-007-9154-1Search in Google Scholar

9 G. G.Yapici, I.Karaman, H. J.Maier. Mechanical flow anisotropy in severely deformed pure titanium, Mater. Sci. Eng. A434 (2006), S. 29430210.1016/j.msea.2006.06.082Search in Google Scholar

10 T.Niendorf, D.Canadinc, H. J.Maier, I.Karaman, G. G.Yapici: Microstructure-mechanical property relationships in ultrafine-grained NbZr, Acta Mater.55 (2007), S. 6596660510.1016/j.actamat.2007.08.015Search in Google Scholar

11 J.May, M.Dinkel, D.Amberger, H. W.Höppel, M.Göken: Mechanical properties, dislocation density and grain structure of ultrafine-grained aluminum and aluminum-magnesium alloys, Metall. Mater. Trans. A38 (2007), S. 1941194510.1007/s11661-007-9110-0Search in Google Scholar

12 L. R.Saitova, H. W.Höppel, M.Göken, I. P.Semenova, G. I.Raab, R. Z.Valiev: Cyclic deformation behavior and fatigue lives of ultrafine-grained Ti-6Al-4V ELI alloy for medical use, Int. J. Fatigue31 (2009), S. 32233110.1016/j.ijfatigue.2008.08.007Search in Google Scholar

13 J.May, H. W.Höppel, M.Göken: Strain rate sensitivity of ultrafine-grained aluminium processed by severe plastic deformation, Scripta Mater.53 (2005), S. 18919410.1016/j.scriptamat.2005.03.043Search in Google Scholar

14 H.Mughrabi, H. W.Höppel, M.Kautz, R. Z.Valiev: Annealing treatments to enhance thermal and mechanical stability of ultrafine-grained metals produced by severe plastic deformation, Zeitschr. Metallkd.94 (2003), S. 10791083Search in Google Scholar

15 T.Niendorf, D.Canadinc, H. J.Maier, I.Karaman: The role of heat treatment on the cyclic stress-strain response of ultrafine-grained interstitial-free steel, Int. J. Fatigue30 (2008), S. 42643610.1016/j.ijfatigue.2007.04.015Search in Google Scholar

16 T.Niendorf, D.Canadinc, H. J.Maier, I.Karaman: On the microstructural stability of ultrafine-grained interstitial-free steel under cyclic loading, Metall. Mater. Trans.A38 (2007), S. 1946195510.1007/s11661-007-9154-1Search in Google Scholar

17 T.Niendorf, D.Canadinc, H. J.Maier, I.Karaman: The role of grain size and distribution on the cyclic stability of titanium, Scripta Mater.60 (2009), S. 34434710.1016/j.scriptamat.2008.10.033Search in Google Scholar

18 V.Tarigopula, O. S.Hopperstad, M.Langseth, A.H.Clausen, F.Hild: A study of localisation in dual-phase high-strength steels under dynamic loading using digital image correlation and FE analysis, Int. J. Solid. Struct.45 (2008), S. 60161910.1016/j.ijsolstr.2007.08.021Search in Google Scholar

19 H.Halim, D. S.Wilkinson, M.Niewczas: The Portevin-Le Chatelier (PLC) effect and shear band formation in an AA5754 alloy, Acta Mater.55 (2007), S. 4151416010.1016/j.actamat.2007.03.007Search in Google Scholar

20 D.Canadinc, C.Efstathiou, H.Sehitoglu: On the negative strain rate sensitivity of Hadfield Steel, Scripta Mater.59 (2008), S. 1103110610.1016/j.scriptamat.2008.07.027Search in Google Scholar

21 T.Niendorf, J.Dadda, D.Canadinc, H. J.Maier, I.Karaman: Monitoring the fatigue-induced damage evolution in ultrafine-grained interstitial-free steel utilizing digital image correlation, Mater. Sci. Eng.A517 (2009), S. 22523410.1016/j.msea.2009.04.053Search in Google Scholar

22 T.Niendorf, C.Burs, D.Canadinc, H. J.Maier: Early detection of crack initiation sites in TiAl alloys during low-cycle fatigue at high temperatures utilizing digital image correlation, Int. J. Mater. Res.100 (2009), S. 60360810.3139/146.110064Search in Google Scholar

23 V. M.Segal, R. E.Goforth, K. T.Hartwig. Texas A&M University, US Patent No. 5, 400, 633 (1995)Search in Google Scholar

24 T.Niendorf, H. J.Maier, D.Canadinc, I.Karaman: On the Cyclic Stability and Fatigue Performance of Ultrafine-Grained Interstitial-Free Steel under Mean Stress, Key Eng. Mater.378–379 (2008), S. 3952Search in Google Scholar

25 F. G.Caballero, M. J.Santofimia, C.García-Mateo, J.Chao, C.García de Andrés: Theoretical design and advanced microstructure in super high strength steels, Mater. Design30 (2009), S. 2077208310.1016/j.matdes.2008.08.042Search in Google Scholar

26 C.Lesch, P.Álvarez, W.Bleck, J.Gil Sevillano: Rapid transformation annealing: a novel method for grain refinement of cold-rolled low-carbon steels, Metall. Mater. Trans.A38 (2007), S. 1882189010.1007/s11661-006-9052-ySearch in Google Scholar

27 T.Niendorf, T.Marten, H. J.Maier, I.Karaman: The effect of texture on the fatigue properties of ultrafine-grained interstitial-free steel, Mater. Sci. For.584–586 (2008), S. 86486910.4028/www.scientific.net/MSF.584-586.864Search in Google Scholar

28 P.Hübner, R.Kiessling, H.Biermann, T.Hinkel, W.Jungnickel, R.Kawalla, H. W.Höppel, J.May: Static and cyclic crack growth behavior of ultrafine-grained Al produced by different severe plastic deformation methods, Metall. Mater. Trans.A38 (2007), S. 19261933Search in Google Scholar

29 R.Lapovok, D.Tomus, J.Mang, Y.Estrin, T. C.Lowe: Evolution of nanoscale porosity during equal-channel angular pressing of titanium, Acta Mater.57 (2009), S. 2909291810.1016/j.actamat.2009.02.042Search in Google Scholar

Online erschienen: 2013-05-28
Erschienen im Druck: 2010-02-01

© 2010, Carl Hanser Verlag, München