TY - THES

T1 - Einfluss von Wärmebehandlung und Oberflächentopographie auf das Ermüdungsverhalten von additiv gefertigten Proben einer Al-Mg-Sc-Legierung

AU - Bauer, Florian

N1 - gesperrt bis 06-11-2025

PY - 2020

Y1 - 2020

N2 - Ziel dieser Arbeit ist es, den Wissensstand über eine Al-Mg-Sc-Legierung (bekannt als Scalmalloy®) durch die Charakterisierung der Auswirkung von thermischer Nachbehandlung und mechanischer Bearbeitung der Oberfläche auf die Ermüdungsfestigkeit zu erweitern. Eine erarbeitete Methodik zur Abschätzung der Schwingfestigkeit im druckrauen Zustand unter Berücksichtigung lokaler Größen wie charakteristischer Rauheitskenngrößen und des vorliegenden Eigenspannungszustandes leistet einen wesentlichen Beitrag zur Ermüdungsfestigkeitsbewertung additiv gefertigter Strukturen. Die von einem Kooperationspartner mittels Selektiven Laser Schmelzen hergestellten Proben wurden in drei Prüfserien zu je 15 Proben eingeteilt. Untersucht wurden polierte Proben ohne (Sc-BC) und mit Ausscheidungshärtung (Sc-HT) sowie druckraue Proben mit Ausscheidungshärtung (Sc-HT(AB)). Die thermische Nachbehandlung erfolgte bei einer Temperatur 300°C über einen Zeitraum von 4h. Die druckraue Oberflächentopographie wurde mithilfe eines Digitallichtmikroskops dreidimensional erfasst und unter Anwendung einer computerunterstützten Auswerteroutine wurden charakteristische Rauheitsparameter abgeleitet. Durchschnittlich wurde an den unbearbeiteten Oberflächen eine mittlere arithmetische Höhe Sa von 11.83 µm gemessen und der Erwartungswert der größten maximalen Senkenhöhe Sv zu 43.81 µm evaluiert. Die mechanisch bearbeiteten Probenserien besaßen im Prüfbereich eine Rauheit von Ra 0.4. Die an den Oberflächen der Proben vorliegenden Eigenspannungen wurden durch ein Röntgendiffraktometer zerstörungsfrei bestimmt. Im Prüfquerschnitt wurden Zugeigenspannung in der Höhe von 40.9 MPa an der polierten und wärmebehandelten Probenserie, 67.4 MPa an der druckrauen und wärmebehandelten Serie und 87.3 MPa an der polierten und nicht wärmebehandelten Serie gemessen. Die Langzeitfestigkeit des Werkstoffes wurde durch Schwingversuche an Rundproben bei einem (Last-) Spannungsverhältnis R=-1 auf einer Resonanzprüfmaschine experimentell bestimmt. Die Langzeitfestigkeit der polierten und wärmebehandelten Probenserie lag bei 126.4 MPa, jene der druckrauen und wärmebehandelten Serie bei 89.1 MPa und jene der polierten und nicht wärmebehandelten Serie bei 51.6 MPa. Anhand ausgewählter Konzepte wurde auf Basis der lokalen Materialeigenschaften, Eigenspannungen und Oberflächenkenngrößen eine Langzeitfestigkeit abgeschätzt und mit den experimentell ermittelten Daten verglichen. Die beste Übereinstimmung lieferte ein lokales Konzept mit einer Abweichung von nur einem Prozent. Die untersuchten globale Konzepte wiesen hierbei größere Abweichungen von bis zu 21% auf.

AB - Ziel dieser Arbeit ist es, den Wissensstand über eine Al-Mg-Sc-Legierung (bekannt als Scalmalloy®) durch die Charakterisierung der Auswirkung von thermischer Nachbehandlung und mechanischer Bearbeitung der Oberfläche auf die Ermüdungsfestigkeit zu erweitern. Eine erarbeitete Methodik zur Abschätzung der Schwingfestigkeit im druckrauen Zustand unter Berücksichtigung lokaler Größen wie charakteristischer Rauheitskenngrößen und des vorliegenden Eigenspannungszustandes leistet einen wesentlichen Beitrag zur Ermüdungsfestigkeitsbewertung additiv gefertigter Strukturen. Die von einem Kooperationspartner mittels Selektiven Laser Schmelzen hergestellten Proben wurden in drei Prüfserien zu je 15 Proben eingeteilt. Untersucht wurden polierte Proben ohne (Sc-BC) und mit Ausscheidungshärtung (Sc-HT) sowie druckraue Proben mit Ausscheidungshärtung (Sc-HT(AB)). Die thermische Nachbehandlung erfolgte bei einer Temperatur 300°C über einen Zeitraum von 4h. Die druckraue Oberflächentopographie wurde mithilfe eines Digitallichtmikroskops dreidimensional erfasst und unter Anwendung einer computerunterstützten Auswerteroutine wurden charakteristische Rauheitsparameter abgeleitet. Durchschnittlich wurde an den unbearbeiteten Oberflächen eine mittlere arithmetische Höhe Sa von 11.83 µm gemessen und der Erwartungswert der größten maximalen Senkenhöhe Sv zu 43.81 µm evaluiert. Die mechanisch bearbeiteten Probenserien besaßen im Prüfbereich eine Rauheit von Ra 0.4. Die an den Oberflächen der Proben vorliegenden Eigenspannungen wurden durch ein Röntgendiffraktometer zerstörungsfrei bestimmt. Im Prüfquerschnitt wurden Zugeigenspannung in der Höhe von 40.9 MPa an der polierten und wärmebehandelten Probenserie, 67.4 MPa an der druckrauen und wärmebehandelten Serie und 87.3 MPa an der polierten und nicht wärmebehandelten Serie gemessen. Die Langzeitfestigkeit des Werkstoffes wurde durch Schwingversuche an Rundproben bei einem (Last-) Spannungsverhältnis R=-1 auf einer Resonanzprüfmaschine experimentell bestimmt. Die Langzeitfestigkeit der polierten und wärmebehandelten Probenserie lag bei 126.4 MPa, jene der druckrauen und wärmebehandelten Serie bei 89.1 MPa und jene der polierten und nicht wärmebehandelten Serie bei 51.6 MPa. Anhand ausgewählter Konzepte wurde auf Basis der lokalen Materialeigenschaften, Eigenspannungen und Oberflächenkenngrößen eine Langzeitfestigkeit abgeschätzt und mit den experimentell ermittelten Daten verglichen. Die beste Übereinstimmung lieferte ein lokales Konzept mit einer Abweichung von nur einem Prozent. Die untersuchten globale Konzepte wiesen hierbei größere Abweichungen von bis zu 21% auf.

KW - Maschinenbau

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M3 - Masterarbeit

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