TY - BOOK

T1 - Mikrostrukturelle Einflüsse auf das HCF-Ermüdungsverhalten von AlSi-Gusslegierungen

AU - Redik, Sabine

N1 - nicht gesperrt

PY - 2014

Y1 - 2014

N2 - Im automobilen Antriebsstrang werden aus Gründen der Gewichtsoptimierung Formgussteile aus Aluminium (AlSi-Legierungen) eingesetzt. Bei hohen Leistungsdichten wird vor allem auf Kokillengussteile zurückgegriffen, da diese besonders gute Materialeigenschaften aufweisen. Bei der betriebsfesten Bauteilauslegung von Aluminiumkokillengussbauteilen werden eine Vielzahl von spannungsmechanischen Einflüssen (Mittelspannung, Spannungsgradient, Spannungszustand,…), sowie Einflüsse aufgrund von Umgebungsbedingungen und Lastreihenfolgen berücksichtigt. Lokale Unterschiede im Werkstoffverhalten innerhalb eines Bauteils finden dagegen zum gegenwärtigen Zeitpunkt kaum bzw. keine Berücksichtigung bei der Auslegung, da geeignete Werkstoffmodelle fehlen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die wesentlichen Einflüsse der Mikrostruktur auf das zyklische Werkstoffverhalten von AlSi-Gusslegierungen, am Beispiel zweier Legierungen, einer AlSi7MgCu0,5- und einer AlSi10Mg-Legierung identifiziert und Materialmodelle zur Bewertung des Mikrostruktureinflusses entwickelt, sowie deren Anwendungsgrenzen hinsichtlich Wärmebehandlungszustand, Legierungszusammensetzung und Gefügeausbildung ermittelt. Dafür wurden umfangreiche Schwingversuche mit anschließender Schadensanalyse, sowie ergänzende Rissfortschrittsexperimente und Zugversuche durchgeführt. Dabei konnte bei Serienbauteilen ein Unterschied im lokalen Ermüdungsverhalten innerhalb eines Bauteils von bis zu 35% festgestellt werden. Die Ursachen für das unterschiedliche Ermüdungsverhalten konnten abhängig vom Versagensmechanismus bestimmt werden. Bei defektinduzierten Brüchen ist die Defektgröße eine der entscheidenden Einflussfaktoren. Die Defektgröße dominiert andere häufig diskutierte Effekte, wie die Wärmebehandlung und die Gefügeausbildung. Als Defekte konnten Poren, intermetallische Phasen und Oxide, sowie in seltenen Fällen auch Bifilme beobachtet werden. Bei gleitbandinduziertem Bruchausgang spielen Wärmebehandlung, Gefügeausbildung und Legierungszusammensetzung dagegen eine wesentliche Rolle. Des Weiteren wurde der Einfluss der Mikrostruktur in Kombination mit ausgewählten Einflüssen (Mittelspannung, Kerben und Temperatur) aus der Betriebsfestigkeit, am Beispiel der defektdominierten AlSi10Mg-Legierung untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass bei defektdominiertem Ermüdungsverhalten der Einfluss der Mittelspannung von der lokalen Mikrostruktur unabhängig ist und die Mittelspannungsempfindlichkeit auf Basis der Bruchmechanik ermittelt werden kann. Der Einfluss von Kerben ist dagegen von der Defektgrößenverteilung abhängig. Für die Bewertung der Schwingfestigkeit von defektbehafteten Legierungen in Kerben konnte ein Modell basierend auf dem Spannungsverlauf und der Defektgröße entwickelt werden. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Mikrostruktur auf das Ermüdungsverhalten bei erhöhter Temperatur charakterisiert. Bei einer Prüftemperatur von 200°C konnte gezeigt werden, dass der maximale Unterschied zwischen den lokalen Schwingfestigkeiten bei 10e7 Lastwechseln im untersuchten Serienbauteil von ca. 35% bei Raumtemperatur auf ca. 7% abnimmt.

AB - Im automobilen Antriebsstrang werden aus Gründen der Gewichtsoptimierung Formgussteile aus Aluminium (AlSi-Legierungen) eingesetzt. Bei hohen Leistungsdichten wird vor allem auf Kokillengussteile zurückgegriffen, da diese besonders gute Materialeigenschaften aufweisen. Bei der betriebsfesten Bauteilauslegung von Aluminiumkokillengussbauteilen werden eine Vielzahl von spannungsmechanischen Einflüssen (Mittelspannung, Spannungsgradient, Spannungszustand,…), sowie Einflüsse aufgrund von Umgebungsbedingungen und Lastreihenfolgen berücksichtigt. Lokale Unterschiede im Werkstoffverhalten innerhalb eines Bauteils finden dagegen zum gegenwärtigen Zeitpunkt kaum bzw. keine Berücksichtigung bei der Auslegung, da geeignete Werkstoffmodelle fehlen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die wesentlichen Einflüsse der Mikrostruktur auf das zyklische Werkstoffverhalten von AlSi-Gusslegierungen, am Beispiel zweier Legierungen, einer AlSi7MgCu0,5- und einer AlSi10Mg-Legierung identifiziert und Materialmodelle zur Bewertung des Mikrostruktureinflusses entwickelt, sowie deren Anwendungsgrenzen hinsichtlich Wärmebehandlungszustand, Legierungszusammensetzung und Gefügeausbildung ermittelt. Dafür wurden umfangreiche Schwingversuche mit anschließender Schadensanalyse, sowie ergänzende Rissfortschrittsexperimente und Zugversuche durchgeführt. Dabei konnte bei Serienbauteilen ein Unterschied im lokalen Ermüdungsverhalten innerhalb eines Bauteils von bis zu 35% festgestellt werden. Die Ursachen für das unterschiedliche Ermüdungsverhalten konnten abhängig vom Versagensmechanismus bestimmt werden. Bei defektinduzierten Brüchen ist die Defektgröße eine der entscheidenden Einflussfaktoren. Die Defektgröße dominiert andere häufig diskutierte Effekte, wie die Wärmebehandlung und die Gefügeausbildung. Als Defekte konnten Poren, intermetallische Phasen und Oxide, sowie in seltenen Fällen auch Bifilme beobachtet werden. Bei gleitbandinduziertem Bruchausgang spielen Wärmebehandlung, Gefügeausbildung und Legierungszusammensetzung dagegen eine wesentliche Rolle. Des Weiteren wurde der Einfluss der Mikrostruktur in Kombination mit ausgewählten Einflüssen (Mittelspannung, Kerben und Temperatur) aus der Betriebsfestigkeit, am Beispiel der defektdominierten AlSi10Mg-Legierung untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass bei defektdominiertem Ermüdungsverhalten der Einfluss der Mittelspannung von der lokalen Mikrostruktur unabhängig ist und die Mittelspannungsempfindlichkeit auf Basis der Bruchmechanik ermittelt werden kann. Der Einfluss von Kerben ist dagegen von der Defektgrößenverteilung abhängig. Für die Bewertung der Schwingfestigkeit von defektbehafteten Legierungen in Kerben konnte ein Modell basierend auf dem Spannungsverlauf und der Defektgröße entwickelt werden. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Mikrostruktur auf das Ermüdungsverhalten bei erhöhter Temperatur charakterisiert. Bei einer Prüftemperatur von 200°C konnte gezeigt werden, dass der maximale Unterschied zwischen den lokalen Schwingfestigkeiten bei 10e7 Lastwechseln im untersuchten Serienbauteil von ca. 35% bei Raumtemperatur auf ca. 7% abnimmt.

M3 - Dissertation

ER -