TY - BOOK

T1 - Einfluss der Porosität auf die Betriebsfestigkeit von Al-Druckgussbauteilen

AU - Powazka, Dawid Pawel

N1 - nicht gesperrt

PY - 2009

Y1 - 2009

N2 - Aluminiumgusslegierungen finden wegen ihrer erheblichen Gewichtsvorteile schon seit längerem immer mehr Anwendung im Automobilbau, insbesondere in den Bereichen Fahrwerk, Antriebsstrang und Karosserie. Neben dem Gewichtsvorteil bietet der Aluminiumguss die Möglichkeit komplexe Bauteilgeometrien herzustellen. Um das Potenzial von Aluminiumguss voll Ausschöpfen zu können, müssen jedoch die in den aus Aluminiumdruckguss hergestellten Bauteilen auftretenden Werkstoffinhomogenitäten wie Gasporen und Lunker hinsichtlich ihres Einflusses auf die Bauteillebensdauer zuverlässig bewertet werden können. Die Bewertung sollte dabei bereits in der Auslegungsphase erfolgen, denn in dieser Phase kann sowohl die Bauteilkonstruktion als auch die Konstruktion des Gießwerkzeuges ohne größeren Zeit- und Kostenaufwand optimiert werden. Zum Verständnis der Wirkung der Werkstoffinhomogenitäten wurden diese im Rahmen dieser Arbeit systematisch variiert und bewertet. Die Bewertung der Porosität in einem Bauteil kann nur in statistischem Sinne erfolgen, da die Abschätzung des Einflusses einzelner Poren nicht möglich ist. Die statistische Beschreibung der charakteristischen Eigenschaften der Poren erfolgt in dieser Arbeit mit Hilfe von Computertomographie-Untersuchungen sowie die Literaturstudien. Auf dieser Basis wurde die Wirkung der Poren auf den lokalen Beanspruchungszustand durch FEM-Berechnungen detailliert untersucht. Hierzu wurden die Poren gezielt variiert, ausgehend von ideal kugelförmigen Poren bis hin zu realen dreidimensionalen Porengeometrien. Die durchgeführte Untersuchungen zeigen, dass die durch die Poren verursachte lokale Spannungserhöhung abhängig von der Größe, Lage und Form der Poren sowie der Lage der Poren zueinander weit größer ist als die in jüngerer Vergangenheit pauschal angenommene Kerbformzahl von Kt,p=2,05 für ideal kugelförmige Form. Aus den Erkenntnissen wurde eine porositätsbedingte Kerbformzahl Kt,Pore als Funktion des Porositätsgrades abgeleitet. Auf dieser Basis wurde ein Berechnungsalgorithmus zur Abschätzung der Wöhlerlinie für einen Al-Gusswerkstoff mit beliebiger Porosität ausgehend von einer Wöhlerlinie mit bekannter Porosität entwickelt. Die Methode wurde abschließend anhand vorliegender Versuchsergebnisse an Proben unterschiedlicher Al-Gusslegierungen sowie einem Serien-Al-Druckgussbauteil verifiziert. Durch die entwickelte Methode wird die Genauigkeit der rechnerischen Lebensdauerabschätzung von Aluminiumdruckgussbauteilen deutlich verbessert.

AB - Aluminiumgusslegierungen finden wegen ihrer erheblichen Gewichtsvorteile schon seit längerem immer mehr Anwendung im Automobilbau, insbesondere in den Bereichen Fahrwerk, Antriebsstrang und Karosserie. Neben dem Gewichtsvorteil bietet der Aluminiumguss die Möglichkeit komplexe Bauteilgeometrien herzustellen. Um das Potenzial von Aluminiumguss voll Ausschöpfen zu können, müssen jedoch die in den aus Aluminiumdruckguss hergestellten Bauteilen auftretenden Werkstoffinhomogenitäten wie Gasporen und Lunker hinsichtlich ihres Einflusses auf die Bauteillebensdauer zuverlässig bewertet werden können. Die Bewertung sollte dabei bereits in der Auslegungsphase erfolgen, denn in dieser Phase kann sowohl die Bauteilkonstruktion als auch die Konstruktion des Gießwerkzeuges ohne größeren Zeit- und Kostenaufwand optimiert werden. Zum Verständnis der Wirkung der Werkstoffinhomogenitäten wurden diese im Rahmen dieser Arbeit systematisch variiert und bewertet. Die Bewertung der Porosität in einem Bauteil kann nur in statistischem Sinne erfolgen, da die Abschätzung des Einflusses einzelner Poren nicht möglich ist. Die statistische Beschreibung der charakteristischen Eigenschaften der Poren erfolgt in dieser Arbeit mit Hilfe von Computertomographie-Untersuchungen sowie die Literaturstudien. Auf dieser Basis wurde die Wirkung der Poren auf den lokalen Beanspruchungszustand durch FEM-Berechnungen detailliert untersucht. Hierzu wurden die Poren gezielt variiert, ausgehend von ideal kugelförmigen Poren bis hin zu realen dreidimensionalen Porengeometrien. Die durchgeführte Untersuchungen zeigen, dass die durch die Poren verursachte lokale Spannungserhöhung abhängig von der Größe, Lage und Form der Poren sowie der Lage der Poren zueinander weit größer ist als die in jüngerer Vergangenheit pauschal angenommene Kerbformzahl von Kt,p=2,05 für ideal kugelförmige Form. Aus den Erkenntnissen wurde eine porositätsbedingte Kerbformzahl Kt,Pore als Funktion des Porositätsgrades abgeleitet. Auf dieser Basis wurde ein Berechnungsalgorithmus zur Abschätzung der Wöhlerlinie für einen Al-Gusswerkstoff mit beliebiger Porosität ausgehend von einer Wöhlerlinie mit bekannter Porosität entwickelt. Die Methode wurde abschließend anhand vorliegender Versuchsergebnisse an Proben unterschiedlicher Al-Gusslegierungen sowie einem Serien-Al-Druckgussbauteil verifiziert. Durch die entwickelte Methode wird die Genauigkeit der rechnerischen Lebensdauerabschätzung von Aluminiumdruckgussbauteilen deutlich verbessert.

KW - Casting Defects Mechanical Properties Computed Tomography (CT) FEA

KW - Fertigungsinhomogenitäten Werkstoffkennwerte Computertomographie (CT) FEM Lebensdauerberechnung

M3 - Dissertation

ER -