Low-cycle fatigue deformation and damage behavior of equiatomic CoCrFeMnNi and CoCrNi alloys
Creators: name: Lu, Kaiju
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Multi-principal element alloys (MPEAs)
Fatigue
Dislocation
Transmission electron microscopy (TEM)

description: Multi-principle element alloys (MPEAs) sind neuartige metallische Legierungen, welche aus mehreren Hauptelementen bestehen. In den letzten Jahren haben diese Legierungssysteme ein außerordentliches Forschungsinteresse auf sich gezogen. Von besonderem Interesse sind die äquimolaren, kubisch-flächenzentrierten (kfz) Modelllegierungen CoCrFeMnNi sowie CoCrNi, welche eine bemerkenswerte Kombination unterschiedlicher mechanischer Materialeigenschaften aufweisen. Während das Verformungsverhalten unter monotoner mechanischer Belastung bereits tiefgreifend untersucht wurde, ist das Materialverhalten dieser neuen Legierungen unter zyklischer Beanspruchung bisher nur ungenügend erforscht. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, das niederzyklische Ermüdungsverhalten (low cycle fatigue, LCF) der Modelllegierungen CoCrFeMnNi sowie CoCrNi tiefgreifend zu untersuchen und ein grundsätzliches Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen zu entwickeln. Zunächst wurden das LCF-Verhalten und die Verformungsmechanismen der CoCrFeMnNi Legierung im Falle von zwei unterschiedlichen Korngrößen bei Raumtemperatur und 550 °C systematisch charakterisiert. Zur Beurteilung des Kurzzeitermüdungsverhaltens der Legierung wurden die Wechselverformungskurven sowie Lebensdauern bei unterschiedlichen Totaldehnungsamplituden ermittelt. Die Mikrostrukturentwicklung während der zyklischen Belastung wurde durch detaillierte Untersuchungen mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) charakterisiert. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wurden die Einflüsse der Prüf- und Materialparameter (Lastspielzahl, Totaldehnungsamplitude, Temperatur sowie Korngröße und -orientierung) auf die ablaufenden Verformungsmechanismen (mit Schwerpunkt auf den Versetzungsgleitcharakter und -struktur) diskutiert. Darüber hinaus wurden die Ursachen für die Bildung unterschiedlicher Versetzungsstrukturen wie beispielsweise Venen- und Zellstrukturen aufgeklärt. Ferner sind weitere interessante Phänomene („serrated flow“ und Segregationseffekte) sowie die vorherrschenden Schädigungsmechanismen untersucht worden. Ein weiterer Bestandteil der vorliegenden Arbeit ist die Charakterisierung des Kurzzeitermüdungsverhaltens der Modelllegierung CoCrNi im Vergleich zur CoCrFeMnNi-Legierung in Bezug auf das Wechselverformungsverhalten, die Lebensdauer sowie Verformungsmechanismen. Die Gründe für das unterschiedliche Ermüdungsverhalten der beiden Legierungen wurden durch Untersuchungen der Versetzungsstrukturen mittels Transmissionselektronenmikrokopie aufgeklärt. Der Ursprung des unterschiedlichen Ermüdungsverhaltens ist korreliert mit den unterschiedlichen Stapelfehlerenergien der Legierungen, woraus eine Strategie zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit von MPEAs abgeleitet wurde. Abschließend sind die ermittelten Daten zur Kurzzeitermüdung der CoCrFeMnNi- und CoCrNi-Legierung mit denen eines konventionellen kubisch-flächenzentrierten (kfz) Stahls sowie denen zweiphasiger MPEAs verglichen worden. Durch den Vergleich mit einem kubisch-flächenzentrierten Stahl konnten potenzielle Merkmale identifiziert werden, die zu den besonderen Ermüdungseigenschaften von MPEAs beitragen. Anhand des Vergleichs der Untersuchungsergebnisse mit dem Ermüdungsverhalten von MPEAs mit zweiphasiger Mikrostruktur wurden weitere effektive Strategien zur Anpassung der Ermüdungsfestigkeit von MPEAs ermittelt. Die vorliegende Arbeit dient damit nicht nur als Referenz zum Verständnis des zyklischen Verformungsverhaltens und der zugrundeliegenden Mechanismen von neuartigen metallischen Legierungen mit mehreren Hauptelementen (MPEAs), sondern gibt auch Aufschluss über Strategien zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit dieser Legierungssysteme.