Fatigue strength assessment of heterogeneously textured sand-cast aluminium surface layers

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Die Bewertung des Oberflächenrauheitseinflusses hinsichtlich einer schwingfesten Dimensionierung ist eine komplexe Aufgabe. Die Schwingfestigkeit von zyklisch beanspruchten Komponenten wird bestimmt von lokalen, geometrischen Kerben und dem fertigungstechnologiespezifischen Materialwiderstand. Daher konzentriert sich diese Forschungsarbeit auf die Entwicklung eines Konzeptes zur schwingfesten Bewertung der kerbbasierten Spannungskonzentration heterogener Sandgusstexturen. Demzufolge werden Proben aus Kurbelgehäusen der Aluminiumlegierung EN AC-46200 in den Wärmebehandlungszuständen T6 und HIP + T6 hinsichtlich metallografischer Charakterisierung, quasi-statischer Eigenschaften, Ermüdungsfestigkeit und charakteristischer Oberflächenstrukturmerkmale untersucht. Bei Proben mit gegossener Oberfläche werden grundsätzlich zwei Versagensmechanismen beobachtet. Ermüdungsrisse initiieren entweder an oberflächentexturbasierten Kerben, oder an einem kombinatorischen Defektfall durch Interaktion einer Randschichtpore mit der Oberflächenkerbe. Um zunächst den Kerbeffekt der Gussoberfläche zu bewerten, wird ein allgemeiner Spannungskonzentrationsfaktor modifiziert. Die Kerbtiefe und der Kerbgrundradius werden dabei lokal durch einen innovativen Sub-Flächen basierten Ansatz charakterisiert. Das entwickelte Modell verwendet den flächigen maximalen Senkenhöhen-Rauheitsparameter Sv für die Kerbtiefe und den belastungsrichtungsunabhängigen äquivalenten Kerbgrundradius ρ basierend auf der mittleren Krümmung H, wodurch richtungsabhängige Einflüsse reduziert werden. Eine statistische Charakterisierung liefert weitere Modellparameter und trägt zur Verbesserung des Bewertungskonzeptes hinsichtlich einer probabilistischen Abschätzung der Schwingfestigkeit der Gussoberfläche bei. Die nachfolgende Ermüdungsfestigkeitsbewertung der gegossenen Oberflächenschicht, erweitert um die defektbehaftete Randschicht, wird ermöglicht durch einen kombinatorischen Ansatz von Porositäts- und Oberflächenkerbeffekten mittels eines von einem neuronalen Netzwerk berechneten Interaktionskoeffizienten. Das Bemessungskonzept hat sich für die untersuchten Aluminium-Sandguss-Oberflächenschichten mit einer konservativen Abschätzung der Langzeitfestigkeit im Bereich von sechs bis neun Prozent bewährt. Es wird somit ein ingenieurmäßig anwendbares Bewertungswerkzeug für heterogene sandgegossene Oberflächentexturen bereitgestellt, welches auch auf verwandte Fertigungsprozesse wie Oberflächen von additive gefertigten Bauteilen angewandt werden kann.

Details

Titel in ÜbersetzungLangzeitfestigkeitsbewertung von heterogen texturierten Oberflächenschichten aus sandgegossenem Aluminium
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2020