Nya insikter om varför verktygsstål brister

– Jag har studerat olika martensitiska verktygsstål och undersökt vad som händer inuti materialet när man belastar det och vad som får det att till sist brista, säger Katerina Chantziara, doktorand i fysik vid Karlstads universitet, på Karlstads Universitets hemsida.

Martensitiska verktygsstål är höghållfasta material som används i miljöer med stora mekaniska påfrestningar, som formverktyg och pressar. Deras mikrostruktur anpassas genom värmebehandling och legering för att kombinera hårdhet med seghet. Men i takt med att stålen utvecklas kan också nya typer av defekter uppstå och det är dessa som Chantziaras forskning riktar in sig på.

Martensit uppstår när stål kyls snabbt från höga temperaturer. Det resulterar i en hård men spröd struktur, där atomerna inte hinner omfördela sig utan låses i en spänd form. I studien analyserades sex moderna verktygsstål, tre kallarbetsstål och tre varmarbetsstål, med olika tillverkningsmetoder, från pulvermetallurgi till additiv tillverkning.

– Jag jämförde stålen utifrån styrka, struktur, defekter och utmattningshållfasthet och analyserade hur sprickor uppstår och växer, säger Chantziara.

Studien bygger på utmattningsprov i roterande böjning, kompletterat med mikroskopisk analys via SEM och EBSD. Fokus låg på att identifiera var och hur utmattningssprickor initierar. En viktig slutsats är att även mycket små ytdefekter, som porer och inneslutningar, kan få stor betydelse vid långvarig belastning. Samtidigt visade sig interna mikrostrukturella faktorer, som martensitblockens storlek och orientering, ha en avgörande inverkan på hur sprickor växer.

Kallarbetsstålen tillverkades främst med pulvermetallurgi, pressning och smidning, medan varmarbetsstålen antingen framställdes genom traditionell gjutning eller med additiv tillverkning (L-PBF). Det sistnämnda visade tydliga mikroskopiska porer och ofullständig bindning mellan lager, vilket sänkte stålets motstånd mot sprickbildning under cyklisk belastning.

Sprickmekanismerna delades in i tre zoner: initiering, stabil tillväxt och slutlig instabil fraktur. Varje zon uppvisade unika strukturella mönster, och analysen visade att defekter nära ytan är särskilt kritiska i den tidiga fasen.

Syftet med forskningen är att ge industrin bättre förutsättningar att välja och utveckla verktygsstål som håller längre i pressade miljöer. En mer detaljerad förståelse av hur och var sprickor bildas kan också bidra till mer träffsäkra inspektionsrutiner och livslängdsbedömningar redan i designskedet.

Läs hela avhandlingen här