Gefüge - Eigenschaftsbeziehungen nanostrukturierter Violinsaiten aus Cr Ni Stahldrähten

Abstract

Dünne Drähte aus korrosionsbeständigem Stahl werden oft für spezielle Anwendungsgebiete wie zahntechnische Regulierungen oder Saiten für Streichinstrumente verwendet. Dabei spielen neben hoher Festigkeit und der Beständigkeit gegen Schweiß die, für die Spielbarkeit eines Streichinstruments unerläßliche, definierte mechanische Dämpfung und damit zusammenhängend die Klangeigenschaften eine entscheidende Rolle.<br />Beim Kaltziehen entsteht aus dem 18 8 Cr Ni Stahl, der eine austenitische Mikrostruktur hat, ein komplexes Gefüge, das einen hohen Anteil an verformungsinduziertem Martensit enthält. Der Martensitgehalt nimmt zur Drahtoberfläche hin ab, da die Martensitbildung dort durch höhere Temperaturen unterdrückt wird, welche durch die starke plastische Verformung und die Reibung mit den Ziehsteinen entstehen. Der Saitendraht ist durch 50-100 nm dünne, nadelförmige Körner, eine hohe Versetzungsdichte und eine ausgeprägte Textur gekennzeichnet. Um zu verstehen, wie dieses Gefüge mit seinen besonderen Eigenschaften entsteht, wurden für drei unterschiedliche Chargen Proben unterschiedlicher Ziehstufen aus dem Kaltziehprozeß hinsichtlich ihrer Mikrostruktur mit licht- und elektronenmikroskopischen Methoden untersucht und durch Synchrotronstrahlungs-Linienprofilanalyse bezüglich der Gefügecharakteristika Korngrößen, Mikrodehnungen und Defektwahrscheinlichkeiten charakterisiert.<br />Parallel dazu erfolgte die Messung des Gehalts an Martensit, wobei sich ein S-förmiger Anstieg als Funktion der Kaltverformung zeigt, der aus einer Nukleationsphase, einer Phase linearen Wachstums und einer Sättigungsphase besteht. In der Nukleationsphase bilden sich Stapelfehler und Zwillinge, an deren Kreuzungspunkten die ersten Martensitkeime entstehen, wobei die Mikrodehnungen im Austenit stark ansteigen und die Korngrößen deutlich sinken. In der Phase linearen Wachstums nehmen Martensitgehalt und Versetzungsdichte zu, wobei es letztere zunehmend schwerer macht Martensit und Restaustenit im Transmissionselektronenmikroskop zu unterscheiden. Im Bereich der Sättigung findet sich Restaustenit, abhängig von der chemischen Zusammensetzung entweder nur mehr an der Drahtoberfläche oder auch noch, mit geringerem Phasenanteil, in der Kernzone.<br />Auch die Thermospannung, also die Spannung, die sich zwischen den Kontaktstellen zweier unterschiedlicher Metalle aufbaut, wenn diese auf verschiedener Temperatur gehalten werden und die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes wurden ermittelt, da beide Aufschluß über das Gefüge geben. Es zeigte sich, daß die Thermospannung hier den S-förmigen Verlauf der Phasenumwandlung wiedergibt. Die Elastizitätsmoduli der untersuchten Proben zeigen eine deutliche Abhängigkeit von der Kaltverformung, mit einem Minimum bei mittlerem Umformgrad, wobei sich hierbei, ebenso wie beim Martensitgehalt, geringfügige Chargenunterschiede zeigen. Außerdem wurde ein Prüfstand gebaut, um die Frequenzspektren der Geigensaiten zu bestimmen. Die dabei gemessenen kleinen Unterschiede in den Frequenzen der Obertöne betrafen allerdings nur Saiten, welche sich sowohl im Klang als auch im Elastizitätsmodul deutlich unterscheiden.<br />

Thin stainless steel wires are commonly used for special applications like orthodontic wires or strings of bowed instruments.<br />Thereby, defined mechanical damping is a necessity to ensure the playability of the bowed instrument and of course good sound quality, apart from tensile strength and corrosion resistance. During cold drawing a complex microstructure evolves in the 18 8 Cr Ni steel, starting from the austenitic phase. This complex structure is characterised by a high amount of strain induced martensite, that decreases towards the wire's surface, where the martensite formation is inhibited by higher temperatures that are caused by plastic deformation and friction with the drawing tools. The string is characterised by needle shaped grains with a diameter of 50-100 nm, high dislocation density and a pronounced texture. Light- and transmission electron microscopy were applied to characterise the feedstock and samples taken from the different drawing steps to get a better understanding of how this microstructure with its special characteristics evolves.<br />Synchrotron radiation line profile analysis provides additional information on the microstructure such as domain sizes, micro strains and defect probabilities.<br />Measurements of the martensite content showed a sigmoidal increase with cold deformation, consisting of a nucleation phase, a phase of linear growth and finally saturation. During the nucleation phase stacking faults and twins are formed followed by the first martensite embryos that nucleate at the impact points of crossing austenite twins, while the microstrains increase strongly in the austenite and the grain sizes decrease significantly. During linear growth martensite content and dislocation density rise, the latter making it more and more difficult to distinguish between martensite and residual austenite in the transmission electron microscope. Once the martensite content saturates residual austenite can be found at the surface of all the wires and very little within them, depending on the chemical composition.<br />The temperature dependent electric resistivity was measured and likewise the thermo electric power, which means the voltage that builds up between the two junctions of unlike metals, when they are kept at different temperatures. Both phenomena depend strongly on the microstructure and can be used for its characterisation. Thermo electric power shows the same sigmoidal dependence on deformation as the phase content. The Young's moduli of the samples show a strong dependence on cold deformation with a minimum for intermediate deformation stages.<br />This behaviour differs between the batches as well as the phase content.<br />A test facility was built with the aim to measure differences in the frequency spectra of the violin strings, which showed small differences in the frequencies of the overtones that could only be detected between strings with significant distinction in sound and in the elastic modulus.<br />