TY - THES

T1 - Einfluss der Mikrostruktur auf das Kurzzeitfestigkeitsverhalten von AlSi-Gusslegierungen

AU - Pegritz, Michael

N1 - gesperrt bis 27-05-2025

PY - 2020

Y1 - 2020

N2 - Um Serienbauteile im modernen Automobilbau effizient herzustellen werden zumeist AlSi-Gussbauteile eingesetzt. Diese hybriden bzw. elektrischen Komponenten des Antriebsstrangs erfordern eine komplexe Gestaltung um die technisch-wirtschaftlichen Anforderungen zu erfüllen. Die betriebsfeste Bauteilauslegung mit schwellwertbasierten, bzw. dauerfesten, Ansätzen wurde in den letzten Jahren intensiv erforscht, während die zyklische Beanspruchbarkeit im zeitfesten Betriebsbereich und der Mikrostruktur als Herstellprozessparameter Gegenstand aktueller Tätigkeiten ist. In dieser Arbeit ist der Einfluss der Mikrostruktur von Sr-veredeltem AlSi8Cu3 in T6-Zustand auf das Kurzzeitfestigkeitsverhalten bei Raumtemperatur zu untersuchen. Dazu wurden vier Versuchsreihen aus Serienbauteilen gefertigt, die sich hinsichtlich Dendritenarmabstand und Mikroporosität unterscheiden. Sowohl für grobes, als auch für feines, Gefüge wurde eine porositätsfreie Referenz-Probenserie durch heiß isostatisches Pressen hergestellt. Die Steigerung der Duktilität und der Kurzzeitfestigkeit durch heiß isostatisches Pressen ist bei der groben Mikrostruktur signifikanter als bei der Versuchsreihe mit kleinem Dendritenarmabstand. In den Versuchsreihen mit feiner Mikrostruktur dominiert das Versagen an persistenten Gleitbändern im {111}〈110〉-Gleitsystems, wobei die Gleitflächen eine Fläche von bis zu 5,26mm², respektive bis zu 12% des Prüfquerschnittes, annehmen. Dieser alternative Versagensmechanismus tritt anstelle der, sonst für AlSi-Legierungen propagierten, mikrostrukturellen Merkmale, wie Schwindungsporen, im Korninneren in den Vordergrund. Die Größe der Gleitflächen der porenfreien Versuchsreihe mit feinem Gefüge variiert ausgeprägter, was sich auch in der erhöhten Streuung dieser Schwingfestigkeitsversuche widerspiegelt. Zur Beschreibung der Schwingfestigkeit wurde das Kohout-Vechet-Konzept für die kombinierte Auslegung von Kurzzeit- und Zeitfestigkeitsbereich implementiert. Es zeichnet sich durch die einfache ingenieurmäßige Anwendbarkeit mit geringer Parameteranzahl aus. Für alle Versuchsreihen wurde der Dendritenarmabstand mittels einer erweiterten Bilderverarbeitungsroutine ermittelt und zusätzlich ein probabilistisches Manson-Coffin-Modell sowie das Verfestigungsverhalten nach Ramberg-Osgood berechnet um die zeitfeste Beschreibung des Materialverhaltens umfassend zu ermöglichen. Durch diese vertiefte Kenntnis der zeitfesten Versagensmechanismen und der elastoplastischen Materialcharakterisierung ist eine verbesserte Auslegung von AlSi-Gussbauteilen möglich.

AB - Um Serienbauteile im modernen Automobilbau effizient herzustellen werden zumeist AlSi-Gussbauteile eingesetzt. Diese hybriden bzw. elektrischen Komponenten des Antriebsstrangs erfordern eine komplexe Gestaltung um die technisch-wirtschaftlichen Anforderungen zu erfüllen. Die betriebsfeste Bauteilauslegung mit schwellwertbasierten, bzw. dauerfesten, Ansätzen wurde in den letzten Jahren intensiv erforscht, während die zyklische Beanspruchbarkeit im zeitfesten Betriebsbereich und der Mikrostruktur als Herstellprozessparameter Gegenstand aktueller Tätigkeiten ist. In dieser Arbeit ist der Einfluss der Mikrostruktur von Sr-veredeltem AlSi8Cu3 in T6-Zustand auf das Kurzzeitfestigkeitsverhalten bei Raumtemperatur zu untersuchen. Dazu wurden vier Versuchsreihen aus Serienbauteilen gefertigt, die sich hinsichtlich Dendritenarmabstand und Mikroporosität unterscheiden. Sowohl für grobes, als auch für feines, Gefüge wurde eine porositätsfreie Referenz-Probenserie durch heiß isostatisches Pressen hergestellt. Die Steigerung der Duktilität und der Kurzzeitfestigkeit durch heiß isostatisches Pressen ist bei der groben Mikrostruktur signifikanter als bei der Versuchsreihe mit kleinem Dendritenarmabstand. In den Versuchsreihen mit feiner Mikrostruktur dominiert das Versagen an persistenten Gleitbändern im {111}〈110〉-Gleitsystems, wobei die Gleitflächen eine Fläche von bis zu 5,26mm², respektive bis zu 12% des Prüfquerschnittes, annehmen. Dieser alternative Versagensmechanismus tritt anstelle der, sonst für AlSi-Legierungen propagierten, mikrostrukturellen Merkmale, wie Schwindungsporen, im Korninneren in den Vordergrund. Die Größe der Gleitflächen der porenfreien Versuchsreihe mit feinem Gefüge variiert ausgeprägter, was sich auch in der erhöhten Streuung dieser Schwingfestigkeitsversuche widerspiegelt. Zur Beschreibung der Schwingfestigkeit wurde das Kohout-Vechet-Konzept für die kombinierte Auslegung von Kurzzeit- und Zeitfestigkeitsbereich implementiert. Es zeichnet sich durch die einfache ingenieurmäßige Anwendbarkeit mit geringer Parameteranzahl aus. Für alle Versuchsreihen wurde der Dendritenarmabstand mittels einer erweiterten Bilderverarbeitungsroutine ermittelt und zusätzlich ein probabilistisches Manson-Coffin-Modell sowie das Verfestigungsverhalten nach Ramberg-Osgood berechnet um die zeitfeste Beschreibung des Materialverhaltens umfassend zu ermöglichen. Durch diese vertiefte Kenntnis der zeitfesten Versagensmechanismen und der elastoplastischen Materialcharakterisierung ist eine verbesserte Auslegung von AlSi-Gussbauteilen möglich.

KW - Aluminiumguss

KW - Ermüdungsfestigkeit

KW - Kurzzeitfestigkeit

KW - persistentes Gleitband

KW - cast aluminium

KW - fatigue strength

KW - low cycle fatigue

KW - persistent slip band

M3 - Masterarbeit

ER -