Lifetime controlling defects in tool steels

Abstract

Die Arbeit beschreibt Untersuchungen des Gigacycle-Ermüdungsverhaltens von Werkzeugstählen, welche im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojekts der Technischen Universität Wien (Institut für Chemische Technologien & Analytik) und der Universität Wien (Fakultät für Physik) durchgeführt wurden. Werkzeugstähle zeichnen sich durch hohe Härte und Festigkeit aus, was die Ermüdungsprüfung mittels herkömmlicher Prüfmethoden erschwert. Insbesondere das Prüfen bis zu sehr hohen Zyklenzahlen N >106 ist sehr zeitintensiv. Das in dieser Studie verwendete Ultraschallresonanzfrequenz-Ermüdungsprüfverfahren, welches bei 20 kHz mit Zug-Druck-Belastung arbeitet, ermöglicht es, Stähle mit Härten von 60-67 HRC bis zu typischen Zyklenzahlen von 1010 zu testen, was mit konventionellen Prüfmethoden nahezu unmöglich ist. Bei solch hohen Zyklenzahlen können Effekte beobachtet werden, welche mit statischen oder Standardermüdungsprüfmethoden nicht bzw. nicht klar erkennbar sind.<br />Der Aufbau eines neu installierten Ultraschall-Ermüdungsprüfsystem wird beschrieben. Die Rolle von potentiell rissinitiierenden Gefügebestandteilen, im Speziellen von Singularitäten, in Werkzeugstählen wurde untersucht. Für schmelzmetallurgisch hergestellte Werkzeugstähle zeigte sich hier allerdings, dass die zahlreichen Primärkarbide bzw. Primärkarbid-Cluster die lebensdauerbestimmenden Bestandteile darstellen. Im Gegensatz dazu zeigten pulvermetallurgische Werkzeugstähle vorwiegend Versagen aufgrund von Verunreinigungen. Somit versagten diese Stähle aufgrund von Einzeldefekten im Material, da die Primärkarbide aufgrund ihrer zu kleinen Größe keine Risse auslösten. Die Ergebnisse zeigten, dass Ermüdungsprüfung bei mäßigen Spannungsamplituden und sehr großen Lastspielzahlen außerordentlich gut dazu geeignet ist, potentielle rissauslösende Gefügebestandeile bzw.<br />Verunreinigungen, im Speziellen die letzten kritischen Einschlüsse in hochreinen metallischen Werkstoffen, aufzudecken. Die pulvermetallurgischen (PM) Werkzeugstähle bestätigten ihre ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit verglichen mit konventionell-schmelzmetallurgisch hergestellten Varianten. Bei 1010 Lastwechseln zeigten letztere eine Ermüdungsfestigkeit von etwa 400 MPa, wohingegen die PM Stähle mit 700 MPa eine beinahe doppelt so große Ermüdungsfestigkeit zeigten. Die erhaltenen Wöhlerkurven fallen mit steigender Lastspielzahl kontinuierlich. Eine "mehrstufige" Kurvenform wurde nicht beobachtet. Weiters zeigten die Untersuchungen sehr klar, dass bis zu einer Lastwechselzahl von 1010 eine Dauerfestigkeit für die untersuchten Stähle nicht existiert. Oberflächliche Druckeigenspannungen zeigten einen signifikanten Einfluss sowohl auf die Ermüdungsfestigkeit als auch auf den Ort der Rissinitiierung. Bei schmelzmetallurgischem Kaltarbeitsstahl war die Ermüdungsfestigkeit der Proben mit hohen Druckspannungen an der Oberfläche (etwa -800 MPa) um etwa 200 MPa höher als jene für Proben mit sehr geringen Druckspannungen. Außerdem erfolgte der Bruch bei diesen Proben vom Inneren her, ausgelöst von Primärkarbidclustern, wobei sich dabei sogenannte "fisheye"-Strukturen an den Bruchflächen finden lassen. Bei niedrigen Druckspannungen entstanden die Ermüdungsrisse dagegen an Primärkarbiden bzw. Clustern nahe der Oberfläche. Weiters wurde überraschenderweise eine Relaxation der Druckspannungen durch die zyklische Belastung festgestellt. Der beobachtete Eigenspannungsabbau führte zu einem Übergang von internem Bruchausgang an Primärkarbidclustern zu oberflächennaher Rissinitiierung an Primärkarbiden bzw. Karbidclustern, was der landläufigen Meinung widerspricht, wonach interne Risseinleitung mit zunehmender Lastwechselzahl wahrscheinlicher wird. Der Effekt der anisotropen Anordnung der Primärkarbide in schmelzmetallurgischen Werkzeugstählen war beachtlich: Proben mit der Achse parallel zur Walzrichtung wiesen über den gesamten untersuchten Zyklenzahlbereich eine um etwa 150 MPa höhere Ermüdungsfestigkeit auf, verglichen mit den senkrecht zur Walzrichtung orientierten Proben. Somit wirkten sich die größeren Dimensionen der Primärkarbide in Längsrichtung des gewalzten Stahlbarrens (entspricht der Bruchfläche der Proben mit Achse orthogonal zur Walzrichtung) negativ auf das Ermüdungsverhalten dieser Transversalproben aus. Detaillierte Untersuchungen der erhaltenen Bruchflächen wurden mittels Licht- und Elektronenmikroskopie vorgenommen, in welchen "fisheye"- oder "semi-fisheye"-Strukturen rund um den internen bzw. oberflächennahen Rissausgang zu sehen waren.<br />Abhängig vom Stahltyp wurden innerhalb dieser fisheye-Strukturen mehrere Risswachstumszonen gefunden. Am bedeutendsten hierbei war eine körnige Fläche in der Umgebung der rissauslösenden Karbide bzw. Einschlüsse.<br />Diese Zone erwies sich als Grundvoraussetzung für die Bildung eines wachstumsfähigen Risses, was durch Mikrorissbildung aufgrund der Spannungskonzentration im Bereich großer Defekte (Primärkarbide, bzw.<br />Cluster oder Einschlüsse) abläuft.<br />

This work describes investigations into the gigacycle fatigue behavior of tool steels, which have been performed in the framework of a joint research project of the Vienna University of Technology (Institute of Chemical Technologies and Analytics) and the University of Vienna (Faculty of Physics). Tool steels show high hardness and strength and thus are difficult to study by conventional fatigue testing routines.<br />Especially testing to very high loading cycle numbers N>106 is very time consuming. The ultrasonic resonance fatigue test method used here, which is described in detail, operating at 20 kHz in fully uniaxial tension-compression mode, enabled testing of tool steel specimens with hardness levels up to 68 HRC and maximum loading cycle numbers of typically 1010, which is virtually impossible with standard fatigue test procedures. At such high cycle numbers, effects can be observed that are not, or at least not as clearly, revealed by static or standard frequency fatigue testing. The role of potential crack initiating microstructural constituents, i.e. singularities, in the tool steels is evaluated. However, in tool steels produced by ingot metallurgy (IM) the primary carbides are the lifetime-limiting constituents. In contrast, the powder metallurgical (PM) grades showed predominantly fatigue failure from (slag) impurities, thus, they definitely failed due to material singularities, since the primary carbides were too small to nucleate fatigue cracks even in the very high cycle regime. Thus, by this it was also shown that fatigue testing at low stress amplitudes (however "low" only for these high strength materials!) and extremely long lives is well suited for detection of material micro-constituents potentially causing failure of the tool steel material and in particular for detecting the last few critical inclusions in steels. The PM grades proved their superior fatigue behavior compared to the IM tool steel variants: At 1010 loading cycles the fatigue endurance strength of nearly residual stress-free wrought tool steels is about 400 MPa, while the PM tool steels reveal a fatigue endurance strength of about 700 MPa.<br />Thus, PM tool steels attained nearly twice the fatigue strength of the conventional, i.e. cast and wrought, tool steels. The obtained S-N curves show continuously decreasing fatigue strength with increasing number of cycles. Furthermore, the performed experiments also showed quite clearly that a real fatigue limit was not attained up to 10 billion cycles. The influence of compressive surface residual stresses - which was investigated in detail on the wrought medium-carbon high-chromium cold work tool steel grade - was found to be very significant and affected both the observed fatigue strength and the location of the crack origin. The fatigue strength of specimens with high compressive residual stresses at the surface was more than 200 MPa higher than of those with low residual stresses. When high compressive residual stresses (about -800 MPa) existed at the specimen surface, fatigue cracks originated in the interior at large primary carbide clusters forming so-called fish-eye patterns at the fracture surface. If these residual stresses were lower, cracks started from carbides or carbide clusters located at or just below the specimen surface. A surprising relaxation of the initially high compressive residual stresses through gigacycle cyclic loading was observed. The observed residual stress relaxation resulted in a transition from internal to at/near-surface crack origins (primary carbides/clusters) located at/just below the surface) with increasing cycle numbers to failure, which contradicts the usual opinion that internal crack initiation becomes more probable at higher N. The effect of anisotropic arrangement of the primary carbides in the IM tool steels was found to be significant: Specimens with axis parallel to the rolling direction showed a fatigue strength about 150 MPa higher within the entire cycle number range tested compared to the specimens with axis perpendicular to the rolling direction. Thus, the larger dimensions of the primary carbides in the longitudinal direction of the rolled bar (i.e. the plane of fracture surface in the samples with axis transverse to the rolling direction) caused the significantly inferior fatigue response of the transverse specimens. Detailed investigation by means of light microscopy and scanning electron microscopy of the obtained fracture surfaces is presented showing fish-eye or semi fish-eye pattern around the origin for internal and at-near-surface failures, respectively.<br />Depending on the steel type, several zones of growth were evaluated within this fish-eye pattern. Most important was the detection of a granular area in the vicinity of the crack origins, which is a prerequisite for the formation of a propagating fatigue crack through microcrack formation in the enhanced stress-field of large defects (primary carbides/inclusions).