Ultra high cycle fatigue properties of high strength sintered steels

Abstract

Die Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften von PM-Stählen ist von besonderer Wichtigkeit. Hohe Dichten können durch die Technik des Hochgeschwindigkeitskompaktierens (HVC) erzielt werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Sinterverhalten, dem Gefüge und den mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Schwingfestigkeit bei höchsten Lastspielzahlen, von Cr-Mo- und Mo-Stählen aus vorlegierten Pulvern mit unterschiedlichen Sinterdichten.<br />Entgasungsversuche zeigen, dass für Mo-legierte Stähle die Reduktion für alle Dichten unkritisch ist. Auch für Cr-Mo legierte Presslinge ist die Gründichte für die Desoxidation kaum von Bedeutung. Die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften erfolgte in Dichtebereichen von 7,1, 7,4 bzw. 7,6 g/cm³, die 30 min bei 1120°C bzw.<br />60 min bei 1250°C gesintert wurden. Bei höheren Dichten sowie gesteigerter Sinterintensität konnten bessere Eigenschaften erzielt werden.<br />Ermüdungsversuche wurden an Proben im Sinterzustand mit einem Ultraschall-Resonanzprüfverfahren bei 20 kHz im Zug-Druck Modus (R= -1) bis zu 10E9 Zyklen durchgeführt. Dichte und Sinterintensität beeinflussen die Werte der Ermüdungsfestigkeit sehr stark und DHVC kombiniert mit hoher Sintertemperatur ist am besten geeignet. Studien über Ermüdungsrißentstehung und -wachstum an gekerbten Proben zeigten, dass im Frühstadium der Ermüdungsrisse zahlreiche Risse entstehen und dass erst durch weitere Belastung die Risse zum Zusammenwachsen tendieren. Dadurch wird die Anzahl der Risse vermindert, ebenso werden Risse beobachtet, die sich nicht weiter ausbreiten.<br />Quantitative Bruchanalyse diente zur Charakterisierung der Mikrostruktur, wobei der Belastungsquerschnitt Ac als wesentlicher Parameter diente. Eine eigene Bildanalysen-Software "PCS" wurde entwickelt. Durch das Auftragen von normalisierten E-Modul und Dauerfestigkeit gegen Ac wurde eine zufriedenstellende Übereinstimmung erzielt.<br />

It has been shown previously that the Cr-Mo and Mo prealloyed powders result in PM parts with better mechanical properties and higher precision. The higher density essential for improved mechanical properties can be attained by the recently developed High Velocity Compaction (HVC) technique. In this thesis, the sintering behaviour, the microstructure and the mechanical properties, in particular the fatigue response at very high loading cycle numbers, have been investigated for Cr-Mo and Mo prealloyed sintered steels at varying density levels. Ultrasonic fatigue testing at 20 kHz and R=-1 in push-pull mode was done on as-sintered materials up to 10E9 cycles. Cr-Mo steel performed markedly better than the plain Mo alloyed ones, due to the finer as-sintered microstructure of the former compared to the coarse upper bainitic structure of the Mo steel. Studies about fatigue crack initiation and small crack propagation, revealed that in the very early stage of fatigue cracking, numerous cracks are generated, and the microstructural orientation plays a markedly larger role than the loading direction. Only after further loading the cracks tend to coalesce, those ones growing perferentially that are oriented perpendicular to the stress axis. A special image analyzing software "PCS" was prepared within this thesis that yields reliable data about Ac for different fracture modes. When plotting Young's modulus and fatigue endurance strength (normalized to the data of pore free material) against the load bearing cross section Ac, satisfactory agreement was obtained, i.e. there are no empirical coefficients necessary to describe E and Sw through the microstructure.<br />