Damage Indicators for early Failure Detection under Cyclic Loading considering Creep Strain of WC-Co Hardmetals at 700 °C and 800 °C

Titel in Übersetzung: Schadensindikatoren zur frühzeitigen Versagenserkennung bei zyklischer Belastung unter Berücksichtigung von Kriechdehnungen von WC-Co-Hartmetallen bei 700 °C und 800 °C

Kathrin Maier

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eine fundierte Basis und methodische Grundlage für die wissensbasierte Auslegung und Optimierung von unbeschichteten WC-Co-Hartmetallen für die spanende Bearbeitung zu schaffen. Durch zyklische Versuche und Kriechversuchen mit stufenweiser Belastung bei 700 °C und 800 °C wurden Zusammenhänge zwischen experimentellen Daten, Grenzspannungen, Schädigungsindikatoren und Vorschädigung hergestellt. Besonderes Augenmerk wurde auf anwendungsrelevante Belastungszustände gelegt, wie sie im Schneidkantenbereich von Fräseinsätzen für Stahl- und Titanwerkstücke auftreten. In der Literatur wurden über verschiedene Studien zum Verhalten von WC-Co Hartmetallen zu kriechenden, monoton steigenden und zyklischen Belastungsbedingungen bei erhöhten Temperaturen berichtet. Es wurden jedoch keine Studien vorgenommen, um die Grenzen der erträglichen Belastung zu ermitteln und die Schadensentwicklung bei erhöhten Temperaturen zu diagnostizieren. Um diese Lücke zu schließen wurden in dieser Arbeit sechs WC-Co-Hartmetallsorten in einachsigen Kriechversuchen mit stufenweiser Belastung sowie in zyklischen Versuchen bei Spannungsverhältnissen von R = σ(min)/σ(max) = -∞ und R = -1 bis zu verschiedenen Belastungsspannungen bei 700 °C und 800 °C im Vakuum untersucht. Die untersuchten Hartmetallsorten unterscheiden sich in ihrer WC-Korngröße: 0,4 µm bis 2,0 µm und ihrem Co-Gehalt: 6 Gew.-% bis 12 Gew.-%. Darüber hinaus wurden mikrostrukturelle Veränderungen mittels Rasterelektronenmikroskopie und die Veränderung der WC- und Co-Phase mittels Elektronenrückstreubeugung untersucht. Basierend auf der fortschreitenden Dehnungszunahme oberhalb eines kritischen Spannungsbereichs bei R = -∞ wurden Grenzspannungen bestimmt, die mit der Bildung von Mikrodefekten, wie Nanoporen und Hohlräumen, in Zusammenhang stehen. Schadensindikatoren wurden aus zyklischen Versuchen bei R = -1 anhand von Parametern der Spannungs-Dehnungs-Hysterese-Schleife ermittelt. Eine Zunahme der Hystereseschleifenfläche und der Zug-Druck-Dehnungs-Asymmetrie mit zunehmender Anzahl von Belastungszyklen kann auf die Bildung von Mikrodefekten in Verbindung gebracht werden. Kriechversuche mit schrittweiser Belastung zeigten ebenfalls eine Zug-Druck-Dehnungsasymmetrie wie zyklische Versuche. Physikalisch gesehen kann diese auf eine schnellere Bildung von Mikrodefekten unter Zug als unter Druckbelastung zurückgeführt werden. Außerdem wurde beobachtet, dass die Grenzspannung und der Beginn des Anstiegs der Schadensindikatoren mit zunehmender Temperatur abnehmen. Außerdem trat bei zyklischer Belastung bei R = -1 eine fortschreitende Dehnungszunahme auf, wie sie bei R = -∞ bei 700 °C und 800 °C beobachtet wurde. Daher sind die Hystereseschleifenfläche, die Zug-Druck-Dehnungs-Asymmetrie sowie die fortschreitende Dehnungszunahme zuverlässige und aussagekräftige Indikatoren für die Schädigung von Werkstoffen.
Titel in ÜbersetzungSchadensindikatoren zur frühzeitigen Versagenserkennung bei zyklischer Belastung unter Berücksichtigung von Kriechdehnungen von WC-Co-Hartmetallen bei 700 °C und 800 °C
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Ebner, Reinhold, Betreuer (intern)
  • Pippan, Reinhard, Beurteiler A (intern)
  • Kiener, Daniel, Mitbetreuer (intern)
  • Llanes Pitarch, Luis Miguel, Beurteiler B (extern), Externe Person
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2021

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • WC-Co Hartmetall
  • Uniaxialer Druck- und Zug-Stufenbelastungs-Kriechversuch
  • Uniaxialer zyklischer Versuch
  • Erhöhte Temperatur
  • Schadensindikator
  • Elektronenmikroskopie

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