Low-cycle fatigue deformation and damage behavior of equiatomic CoCrFeMnNi and CoCrNi alloys

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. ... mehrZiel 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.

Multi-principal element alloys (MPEAs) have attracted enormous scientific interest in recent years. Among them, face-centered cubic (FCC) equiatomic CoCrFeMnNi and CoCrNi model alloys have shown excellent combinations of mechanical properties. While many efforts have been made to uncover their monotonic deformation behavior, the understanding on their cyclic deformation behavior is still in infancy. This thesis aims to provide a fundamental understanding of the low-cycle fatigue (LCF) behavior and underlying mechanisms in the FCC model MPEAs.
Firstly, the LCF behavior and deformation mechanisms of CoCrFeMnNi alloy with two distinct grain sizes were systematically characterized at room temperature and 550 °C. ... mehrThe LCF responses including cyclic stress response and lifetime at different strain amplitudes were obtained. Extensive transmission electron microscopy (TEM) investigations revealed the microstructural evolution upon cycling. Based on these results, the influences of several testing and material parameters (including cycle number, strain amplitude, temperature, grain size and orientation) on the operating deformation mechanisms were discussed (with emphasis on dislocation slip modes and structures). Furthermore, the origins of different dislocation structures (such as walls, veins and cells) formation and some interesting phenomena (such as serrated flow and segregation) were clarified. In addition, the damage mechanisms were also examined.
Thereafter, the LCF behavior (including cyclic stress response and lifetime) and deformation mechanisms of CoCrNi alloy were investigated and compared to CoCrFeMnNi alloy. TEM investigations uncovered the microstructural reason (in terms of dislocation slip mode) for the difference in their LCF responses. The origin is further correlated to their different stacking fault energy (SFE). Hence, a strategy by tuning the SFE is identified to enhance the fatigue resistance of MPEAs.
Lastly, the LCF data of present CoCrFeMnNi and CoCrNi alloys were compared to those of a conventional FCC steel and dual-phase MPEAs. In comparison to the FCC steel, potential features that contribute to the peculiar fatigue properties of MPEAs were identified. By further comparing to dual-phase MPEAs, other effective strategies to tailor MPEAs with enhanced fatigue resistance were also elucidated.
Thus, this thesis not only serves as a reference to understand the cyclic deformation behavior and underlying mechanisms for MPEAs, but also sheds light on the strategies for improving fatigue resistance of MPEAs.