TY - THES

T1 - Lebensdauerbewertung von Mikroporen in Aluminiumgussbauteilen auf Basis lokaler Beanspruchungsanalysen

AU - Schneller, Wolfgang

N1 - gesperrt bis 13-02-2023

PY - 2018

Y1 - 2018

N2 - Die industrielle Bedeutung von Aluminium nimmt aufgrund des hohen Leichtbaupotenzials besonders im Automobilsektor stetig zu. Durch moderne Gießverfahren können komplexe Bauteile wirtschaftlich umgesetzt werden, wobei fertigungstechnische Gussmerkmale die Bauteileigenschaften bestimmen. Demzufolge liegt eine große technologische Relevanz in der Untersuchung dieser technologischen Merkmale, wie sie beispielsweise in Form von Mikroporen und Gaseinschlüssen auftreten. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Auswirkung derartiger Ungänzen hinsichtlich des Einflusses auf die Langzeitfestigkeit porenbehafteter Aluminiumgussbauteile quantifiziert. Die Lebensdauerbewertung erfolgt auf Basis einer lokalen Beanspruchungsanalyse mittels numerischer finite Elemente Analysen und Erstellung einer anwendungsorientierten, elaborierten Methodik zur analytischen Berechnung der zu erwartenden Ermüdungsfestigkeit. Um eine Pore im Inneren eines Bauteils zu charakterisieren, muss zunächst mittels Computertomographie (CT) der Prüfkörper gescannt werden. Mit diesem Vorgang lassen sich innenliegende Poren erfassen, und deren Geometrie sowie Lage als Punktewolke abspeichern. Durch die Aufbereitung der aus den Daten generierten Oberfläche wird ein simulationsfähiges Volumenmodell der Pore, eingebettet in einer Aluminiummatrix, abgeleitet. Anhand von Zugversuchen werden die für eine elastisch-plastische Simulation erforderlichen werkstoffspezifischen Spannungs- und Dehnungsdaten ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgestellte Methodik zur Beurteilung des Einflusses von Mikroporen auf die Ermüdungsfestigkeit von Aluminiumgussbauteilen eine sehr gute Einschätzung der zu erwartenden Lebensdauer liefert. Anhand von Schwingversuchen mit Block-Lastkollektiv und anschließender Bruchflächenanalyse mittels Rasterelektronenmikroskopie wird eine Aussage zur Rissfortschrittsrate sowie dem Verhältnis von der Rissinitiierungs- zur Rissfortschrittsphase getroffen. Die dabei experimentell gewonnenen Rissfortschrittsdaten weisen eine gute Übereinstimmung mit der analytischen Vergleichsrechnung auf. Abschließend wird der Einfluss der Position mikroporositärer Gefügemerkmale hinsichtlich Spannungsintensitätsfaktor und Spannungskonzentration untersucht. Um statistisch abgesicherte Werte des Spannungsintensitätsfaktors zu erhalten, wird eine automatisierte Monte-Carlo Simulationsmethodik mit Hilfe einer benutzerdefinierten Routine angewendet. Die Ergebnisse zeigen einen charakteristischen Verlauf der jeweiligen Beanspruchungsgrößen und betonen das zunehmend kritische Verhalten bei abnehmendem Verhältnis von Randabstand zu effektivem Porendurchmesser. Die in dieser Arbeit dargestellten Ergebnisse und daraus abgeleiteten Erkenntnisse leisten einen Beitrag zur lokalen Ermüdungsfestigkeitsbewertung von Aluminiumgussbauteilen, wodurch zukünftig derartige Leichtbaukomponenten noch herstellprozess- und anwendungsorientierter dimensioniert werden können.

AB - Die industrielle Bedeutung von Aluminium nimmt aufgrund des hohen Leichtbaupotenzials besonders im Automobilsektor stetig zu. Durch moderne Gießverfahren können komplexe Bauteile wirtschaftlich umgesetzt werden, wobei fertigungstechnische Gussmerkmale die Bauteileigenschaften bestimmen. Demzufolge liegt eine große technologische Relevanz in der Untersuchung dieser technologischen Merkmale, wie sie beispielsweise in Form von Mikroporen und Gaseinschlüssen auftreten. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Auswirkung derartiger Ungänzen hinsichtlich des Einflusses auf die Langzeitfestigkeit porenbehafteter Aluminiumgussbauteile quantifiziert. Die Lebensdauerbewertung erfolgt auf Basis einer lokalen Beanspruchungsanalyse mittels numerischer finite Elemente Analysen und Erstellung einer anwendungsorientierten, elaborierten Methodik zur analytischen Berechnung der zu erwartenden Ermüdungsfestigkeit. Um eine Pore im Inneren eines Bauteils zu charakterisieren, muss zunächst mittels Computertomographie (CT) der Prüfkörper gescannt werden. Mit diesem Vorgang lassen sich innenliegende Poren erfassen, und deren Geometrie sowie Lage als Punktewolke abspeichern. Durch die Aufbereitung der aus den Daten generierten Oberfläche wird ein simulationsfähiges Volumenmodell der Pore, eingebettet in einer Aluminiummatrix, abgeleitet. Anhand von Zugversuchen werden die für eine elastisch-plastische Simulation erforderlichen werkstoffspezifischen Spannungs- und Dehnungsdaten ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgestellte Methodik zur Beurteilung des Einflusses von Mikroporen auf die Ermüdungsfestigkeit von Aluminiumgussbauteilen eine sehr gute Einschätzung der zu erwartenden Lebensdauer liefert. Anhand von Schwingversuchen mit Block-Lastkollektiv und anschließender Bruchflächenanalyse mittels Rasterelektronenmikroskopie wird eine Aussage zur Rissfortschrittsrate sowie dem Verhältnis von der Rissinitiierungs- zur Rissfortschrittsphase getroffen. Die dabei experimentell gewonnenen Rissfortschrittsdaten weisen eine gute Übereinstimmung mit der analytischen Vergleichsrechnung auf. Abschließend wird der Einfluss der Position mikroporositärer Gefügemerkmale hinsichtlich Spannungsintensitätsfaktor und Spannungskonzentration untersucht. Um statistisch abgesicherte Werte des Spannungsintensitätsfaktors zu erhalten, wird eine automatisierte Monte-Carlo Simulationsmethodik mit Hilfe einer benutzerdefinierten Routine angewendet. Die Ergebnisse zeigen einen charakteristischen Verlauf der jeweiligen Beanspruchungsgrößen und betonen das zunehmend kritische Verhalten bei abnehmendem Verhältnis von Randabstand zu effektivem Porendurchmesser. Die in dieser Arbeit dargestellten Ergebnisse und daraus abgeleiteten Erkenntnisse leisten einen Beitrag zur lokalen Ermüdungsfestigkeitsbewertung von Aluminiumgussbauteilen, wodurch zukünftig derartige Leichtbaukomponenten noch herstellprozess- und anwendungsorientierter dimensioniert werden können.

KW - Lebensdauerbewertung

KW - Mikroporen

KW - numerische Analyse

KW - Aluminiumguss

KW - Spannungsintensitätsfaktor

KW - fatigue assessment

KW - micropores

KW - numerical analysis

KW - cast aluminium

KW - stress intensity factor

M3 - Masterarbeit

ER -