Mikrostrukturelle Untersuchungen Herstellungsprozess zelluläre Struktur Edelstahl

Additiv gefertigter (AM) austenitischer Edelstahl 316L, der mittels pulverbasiertes Laserschmelzens (PBF-LB) hergestellt wurde, weist im Vergleich zu seiner geschmiedeten Variante höhere Zugfestigkeitseigenschaften auf (d. h. eine erhöhte Streckgrenze bei geringem Verlust an Duktilität). Gründe für diese Verbesserung wurden in seiner hierarchischen Mikrostruktur gefunden: Es sind durch den Herstellungsprozess induzierte zylindrische zelluläre Strukturen (M-CS) mit polygonalem Querschnitt und einem Durchmesser im Bereich von einem Mikrometer vorhanden. Solche M-CS entstehen durch schnelle Erstarrung und erstrecken sich bei kubischen Kristallsystemen – wie sie im kubisch flächenzentrierten (FCC) Gitter von 316L vorkommen – in ⟨100⟩-Richtungen. Ihre Grenzen weisen Seigerungen (bei 316L Cr, Mn und Mo) sowie eine hohe Dichte an verwickelten Versetzungen auf. Zudem finden sich in diesen Bereichen üblicherweise Nanopartikel (übergangsmetallreiche Silikate, 10 nm – 150 nm). Neben der Korngrenzverstärkung, der Partikelverstärkung und der chemischen Segregation erweisen sich die hohe Versetzungsdichte sowie deren inhomogene Verteilung an Zellenwänden als wesentliche Verstärkungsmechanismen.

Während sich mehrere Studien mit den Zugfestigkeitseigenschaften und den mikrostrukturellen Merkmalen von PBF-LB/316L befassen, gibt es nur wenige Arbeiten über das zyklische plastische Verformungsverhalten und über die damit verbundene mikrostrukturelle Entwicklung. Daher wurde das zyklische plastische Verformungsverhalten bei Raumtemperatur von PBF-LB-gefertigtem Edelstahl 316L, der auf zwei mikrostrukturelle Zustände wärmebehandelt wurde, nach dehnungsgeregelten Kurzzeitfestigkeitsversuchen bei Raumtemperatur untersucht. Die Wärmebehandlung bei niedrigerer Temperatur (450 °C/4 Stunden) bewahrt die im Rohmaterial vorhandene zelluläre Struktur. Im Gegensatz dazu geht die Wärmebehandlung bei höherer Temperatur (450 °C/4 Stunden, gefolgt von 900 °C/1 Stunde) mit dem Verschwinden der herstellungsbedingten zellulären Struktur (M-CS) einher, während eine ähnliche Kornmorphologie und Textur erhalten bleibt, was folglich zu einer verringerten statischen Streckgrenze führt. Die beiden unterschiedlichen Mikrostrukturen wurden unter zyklischer Belastung in Abhängigkeit von der Dehnungsamplitude geprüft. Anschließend wurden detaillierte REM- und TEM-Untersuchungen durchgeführt, um die Mechanismen der zyklischen Verformung zu verstehen. Während beide Materialzustände nach einer kurzen anfänglichen Verfestigungsphase eine deutliche zyklische Entfestigung zeigten, führte die Entfernung der M-CS zu einem weniger ausgeprägten anschließenden relativen Entfestigungsgrad.

Es wurde nachgewiesen, dass die Fähigkeit dieses mikrostrukturellen Merkmals, bei zyklischer Beanspruchung als Barriere gegen plastische Verformung zu wirken, beeinträchtigt ist, was sich in der starken Verringerung der zyklischen Streckgrenze widerspiegelt.