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T1 - Materialmodellentwicklung für die betriebsfeste Auslegung von Aluminiumgussbauteilen unter Berücksichtigung mikrostruktureller Größen

AU - Garb, Christian

N1 - gesperrt bis 07-02-2023

PY - 2018

Y1 - 2018

N2 - Der Leichtbau sowie ein belastungsoptimiertes Bauteildesign gewinnen in der Automobilindustrie in Verbindung mit steigenden Leistungsdichten immer mehr an Bedeutung. Hierbei ermöglichen Aluminiumgussbauteile in der Anwendung von Motorenteilen und Strukturbauteilen hervorragende Leistungs- zu Gewichts- Verhältnisse bei hoher Designfreiheit. Entscheidend für die lokalen zyklischen Materialfestigkeit ist die vorherrschende Mikrostruktur, dabei vor allem die lokale Mikroporosität und Mikroporengrößen. Diese Arbeit untersucht mikrostrukturelle und technologische Einflüsse auf die Schwingfestigkeit von Aluminiumgusslegierungen und unterstützt die Weiterentwicklung der Gießsimulation hin zu einem Porengrößenvorhersagemodell. Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderköpfe aus verschiedenen Aluminiumgusslegierungen und unterschiedlichen Wärmebehandlungen sowie Eutektikumsveredelungsvarianten kamen für die Untersuchungen zum Einsatz. Hochauflösende CT-Scans stellen die Grundlage für umfangreiche statistische Analysen der Grundverteilungen und Parameterstudien der Mikroporengrößen dar. Die Mikroporengrößen folgen näherungsweise der Extremwertverteilung und Log-normal-Verteilung. Schwingfestigkeitsuntersuchungen liefern bei Raumtemperatur und teils bei erhöhter Temperatur von 150 C Ergebnisse hinsichtlich der Festigkeiten und versagensrelevanten Defektgrößen. Ein klarer Zusammenhang zwischen der Festigkeitsabnahme und steigender mittlerer Mikroporengröße ist festzustellen. Die Ergebnisse der Schwingfestigkeitsuntersuchungen, der fraktographischen Analysen und der Rissfortschrittsversuche werden in der Entwicklung von Kitagawa-Takahashi-, El-Haddad- und Chapetti-Modellen der einzelnen Legierungsspezifikationen zusammengeführt. Das Lebensdauermodell nach Chapetti liefert konservative und für die Bauteilauslegung anwendbare Ergebnisse über alle untersuchten Legierungsvarianten. Dieses Modell berücksichtigt auch das Kurzrisswachstum bei der Lebensdauerbewertung durch die Erweiterung mit Risswiderstandskurven. Das Kitagawa-Takahashi-Modell fällt in allen Fällen als nicht-konservativ aus. Der Haupteinflussfaktor auf die Schwingfestigkeit der untersuchten Entnahmestellen und Legierungsvarianten ist die Mikroporengröße. Die Wärmebehandlung sowie die Eutektikumsveredelungs-Variante haben im Vergleich dazu nur einen geringen Einfluss.

AB - Der Leichtbau sowie ein belastungsoptimiertes Bauteildesign gewinnen in der Automobilindustrie in Verbindung mit steigenden Leistungsdichten immer mehr an Bedeutung. Hierbei ermöglichen Aluminiumgussbauteile in der Anwendung von Motorenteilen und Strukturbauteilen hervorragende Leistungs- zu Gewichts- Verhältnisse bei hoher Designfreiheit. Entscheidend für die lokalen zyklischen Materialfestigkeit ist die vorherrschende Mikrostruktur, dabei vor allem die lokale Mikroporosität und Mikroporengrößen. Diese Arbeit untersucht mikrostrukturelle und technologische Einflüsse auf die Schwingfestigkeit von Aluminiumgusslegierungen und unterstützt die Weiterentwicklung der Gießsimulation hin zu einem Porengrößenvorhersagemodell. Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderköpfe aus verschiedenen Aluminiumgusslegierungen und unterschiedlichen Wärmebehandlungen sowie Eutektikumsveredelungsvarianten kamen für die Untersuchungen zum Einsatz. Hochauflösende CT-Scans stellen die Grundlage für umfangreiche statistische Analysen der Grundverteilungen und Parameterstudien der Mikroporengrößen dar. Die Mikroporengrößen folgen näherungsweise der Extremwertverteilung und Log-normal-Verteilung. Schwingfestigkeitsuntersuchungen liefern bei Raumtemperatur und teils bei erhöhter Temperatur von 150 C Ergebnisse hinsichtlich der Festigkeiten und versagensrelevanten Defektgrößen. Ein klarer Zusammenhang zwischen der Festigkeitsabnahme und steigender mittlerer Mikroporengröße ist festzustellen. Die Ergebnisse der Schwingfestigkeitsuntersuchungen, der fraktographischen Analysen und der Rissfortschrittsversuche werden in der Entwicklung von Kitagawa-Takahashi-, El-Haddad- und Chapetti-Modellen der einzelnen Legierungsspezifikationen zusammengeführt. Das Lebensdauermodell nach Chapetti liefert konservative und für die Bauteilauslegung anwendbare Ergebnisse über alle untersuchten Legierungsvarianten. Dieses Modell berücksichtigt auch das Kurzrisswachstum bei der Lebensdauerbewertung durch die Erweiterung mit Risswiderstandskurven. Das Kitagawa-Takahashi-Modell fällt in allen Fällen als nicht-konservativ aus. Der Haupteinflussfaktor auf die Schwingfestigkeit der untersuchten Entnahmestellen und Legierungsvarianten ist die Mikroporengröße. Die Wärmebehandlung sowie die Eutektikumsveredelungs-Variante haben im Vergleich dazu nur einen geringen Einfluss.

KW - Aluminiumgussbauteile

KW - Lebensdauermodelle

KW - Computertomographie

KW - Mikroporengrößen

KW - Kitagawa-Takahashi-Diagramm

KW - Aluminium castings

KW - Fatigue life

KW - Computed tomography

KW - Micropore sizes

KW - Kitagawa-Takahashi-diagram

M3 - Dissertation

ER -