TY - THES

T1 - Studie des Oberflächeneinflusses und statistischer Mikrostrukturparameter auf die Ermüdungsfestigkeit

AU - Laireiter, Alexander

N1 - gesperrt bis 28-02-2027

PY - 2022

Y1 - 2022

N2 - Gussserienbauteile finden in der Technik und im Automobilbau breite Anwendung. Insbesondere bei komplexen Geometrien, wie dem Zylindergehäuse, ist eine Nachbearbeitung der Oberflächen nur mit hohem fertigungstechnischen Aufwand, bzw. in bestimmten Bereichen technisch nicht möglich. Somit bleiben gussraue Oberflächen partiell bestehen, diese haben jedoch einen wesentlichen Einfluss auf das Ermüdungsfestigkeitsverhalten und somit auf die Lebensdauer der Gussbauteile. Um gussraue Oberflächen bei Aluminiumlegierungen ermüdungsfest zu bemessen, wurde durch das CD-Labor für fertigungsprozessbasierte Bauteilauslegung ein sub-area-basiertes Randschichtbewertungsmodell entwickelt. Dieses wird in der vorliegenden Arbeit durch eine geänderte Guss- und Belastungsrichtung sowie bauteilähnlicher Probengeometrie validiert bzw. erweitert und die Methodik für eine weitere Al-Si-Gusslegierung statistisch angewandt. Aus den untersuchten Werkstoffen EN AC-42100 und EN AC-46200 werden halbringförmige Proben aus einem Gussserienbauteil entnommen und durch eine druckschwellende Kraft auf Biegung beansprucht. Zudem wird die Oberfläche der Halbringe mit einem digitalen Lichtmikroskop aufgenommen und die Kennwerte Taltiefe Sv und multiaxialer Kerbradius ρ ermittelt. Die zyklisch geprüften Proben werden einer Bruchflächenanalyse unterzogen, um den versagensursächlichen Defekt zu ermitteln. Somit kann das Randschichtbewertungsmodell angewendet und die Langzeitfestigkeit statistisch ermittelt werden. Der Vergleich der Oberflächen zeigt, dass der Werkstoff EN AC-42100 (K_t50 = 3.36) um 30 % höhere Formzahlen zum Werkstoff EN AC-46200 (K_t50 = 2.32) aufweist. Daraus lässt sich vermuten, dass sich die Langzeitfestigkeiten direkt-proportional verhalten, jedoch zeichnen die Wöhlerversuche ein gegenteiliges Bild. Die normierte experimentelle Langzeitfestigkeit des Werkstoffs EN AC-42100 liegt bei σ_a50 = 0.46 und die des Werkstoffs EN AC-46200 bei σ_a50 = 0.38. Grund dafür ist die deutlich ausgeprägtere Randschichtporosität des Werkstoffs EN AC-46200 von ca. 0.5 - 2 % in den höchstbeanspruchten Bereichen. Der abschließende Vergleich der experimentellen Langzeitfestigkeit und der durch das Randschichtbewertungsmodell abgeschätzten sub-area-basierten Langzeitfestigkeit zeigt, dass bei beiden Werkstoffen in ca. 93 % die experimentelle Lebensdauer dem Berechnungsansatz konservativ entspricht. Damit ist die statistische Anwendbarkeit des sub-area-basierten Randschichtbewertungsmodells, unabhängig von der primären Erstarrungsrichtung, für Al-Gusslegierungen bewiesen.

AB - Gussserienbauteile finden in der Technik und im Automobilbau breite Anwendung. Insbesondere bei komplexen Geometrien, wie dem Zylindergehäuse, ist eine Nachbearbeitung der Oberflächen nur mit hohem fertigungstechnischen Aufwand, bzw. in bestimmten Bereichen technisch nicht möglich. Somit bleiben gussraue Oberflächen partiell bestehen, diese haben jedoch einen wesentlichen Einfluss auf das Ermüdungsfestigkeitsverhalten und somit auf die Lebensdauer der Gussbauteile. Um gussraue Oberflächen bei Aluminiumlegierungen ermüdungsfest zu bemessen, wurde durch das CD-Labor für fertigungsprozessbasierte Bauteilauslegung ein sub-area-basiertes Randschichtbewertungsmodell entwickelt. Dieses wird in der vorliegenden Arbeit durch eine geänderte Guss- und Belastungsrichtung sowie bauteilähnlicher Probengeometrie validiert bzw. erweitert und die Methodik für eine weitere Al-Si-Gusslegierung statistisch angewandt. Aus den untersuchten Werkstoffen EN AC-42100 und EN AC-46200 werden halbringförmige Proben aus einem Gussserienbauteil entnommen und durch eine druckschwellende Kraft auf Biegung beansprucht. Zudem wird die Oberfläche der Halbringe mit einem digitalen Lichtmikroskop aufgenommen und die Kennwerte Taltiefe Sv und multiaxialer Kerbradius ρ ermittelt. Die zyklisch geprüften Proben werden einer Bruchflächenanalyse unterzogen, um den versagensursächlichen Defekt zu ermitteln. Somit kann das Randschichtbewertungsmodell angewendet und die Langzeitfestigkeit statistisch ermittelt werden. Der Vergleich der Oberflächen zeigt, dass der Werkstoff EN AC-42100 (K_t50 = 3.36) um 30 % höhere Formzahlen zum Werkstoff EN AC-46200 (K_t50 = 2.32) aufweist. Daraus lässt sich vermuten, dass sich die Langzeitfestigkeiten direkt-proportional verhalten, jedoch zeichnen die Wöhlerversuche ein gegenteiliges Bild. Die normierte experimentelle Langzeitfestigkeit des Werkstoffs EN AC-42100 liegt bei σ_a50 = 0.46 und die des Werkstoffs EN AC-46200 bei σ_a50 = 0.38. Grund dafür ist die deutlich ausgeprägtere Randschichtporosität des Werkstoffs EN AC-46200 von ca. 0.5 - 2 % in den höchstbeanspruchten Bereichen. Der abschließende Vergleich der experimentellen Langzeitfestigkeit und der durch das Randschichtbewertungsmodell abgeschätzten sub-area-basierten Langzeitfestigkeit zeigt, dass bei beiden Werkstoffen in ca. 93 % die experimentelle Lebensdauer dem Berechnungsansatz konservativ entspricht. Damit ist die statistische Anwendbarkeit des sub-area-basierten Randschichtbewertungsmodells, unabhängig von der primären Erstarrungsrichtung, für Al-Gusslegierungen bewiesen.

KW - cast aluminium surfaces

KW - fatigue strength

KW - sub-area-based surface layer assessment model

KW - Al-Si-alloy

KW - gussraue Oberflächen

KW - Ermüdungsfestigkeitsverhalten

KW - Randschichtbewertungsmodell

KW - Al-Si-Gusslegierung

KW - Oberflächeneinfluss

M3 - Masterarbeit

ER -