TY - THES

T1 - Untersuchung des Rissfortschritts an bauteilähnlichen Strukturen einer Al-Si-Gusslegierung unter Schwingbeanspruchung

AU - Korenjak, Andreas

N1 - nicht gesperrt

PY - 2024

Y1 - 2024

N2 - Aluminium-Gussbauteile sind in der modernen Fertigungstechnik wie beispielsweise im Automobilbau durch die ständige Weiterentwicklung von industriellen Fertigungsprozessen und Leichtbaukonzepten nicht mehr wegzudenken. Materialien mit geringer Dichte und dabei hohen Festigkeitseigenschaften sind insbesondere bei komplexen Bauteilgeometrien sehr gefragt. Aluminium und deren Legierungen sind durch die gute Gießbarkeit besonders für komplizierte Strukturen geeignet. Komplexe Bauteilgeometrien ergeben durch den Gießprozess systembedingt lokal unterschiedliche Erstarrungseigenschaften, welche sich unter anderem durch variierende Porositätsverteilungen zeigen. Dadurch entstehen signifikante Unterschiede in den Festigkeitseigenschaften. Durch zyklische Belastungen können Ermüdungsrisse auftreten, die zum Versagen des Bauteils führen. Aus der technischen Vergangenheit ist bekannt, dass ein unzureichender Widerstand gegen Rissinitiierung und Risswachstum zu katastrophalen Unfällen und weitreichenden Folgen führen kann. Demzufolge sollen kritische Bauteile in bestimmten Ab-ständen kontrolliert und auf auftretende Risse untersucht werden. Somit ist die Feststellung der technischen Rissinitiierung mittels ingenieurmäßig anwendbaren Methoden von wesentlicher Bedeutung für die zyklische Gebrauchsdauer. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine bestehende Prüfmethodik mit einem optischen Kamerasystem erweitert, um die Rissinitiierungslebensdauer an bauteilähnlichen Strukturen zu ermitteln.Die Grundlage für die Untersuchungen bilden halbringförmige Proben, welche aus dem Wassermantel von Zylinderkurbelgehäusen entnommen werden. Die verwendeten Werkstoffe sind die AlSi-Legierungen EN AC-42100 und EN AC-46200. Es werden Proben mit gussrauer Oberfläche und Proben mit gefräster Oberfläche unter schwellender Belastung geprüft, wobei Biegespannungen an der Oberfläche auftreten. Während der Prüfung wird mit einem handelsüblichen Kamerasystem die Rissinitiierung und der Rissfortschritt aufgenommen. Zur leichteren Risserkennung werden ein Graphit-Spray und eine Zwei-Komponenten-Spezialbeschichtung (Riluminati) eingesetzt. Die Beschichtung beruht auf Lumineszenz und besteht aus einer fluoreszierenden Indikatorschicht, welche nach der Trocknung mit einer schwarzen Deckschicht überdeckt wird. Abhängig vom geprüften Spannungsniveau und der zu erwartenden Bruchlastwechselzahl werden in vorgegebenen Abständen Fotos aufgenommen, welche im Nachhinein auf die Rissentstehung bzw. auf den Zeitpunkt des ersten sichtbaren Risses untersucht werden.Die Auswertung der Rissinitiierung erfolgte auf Basis der Bilddaten und über die Änderung der Steifigkeit. Beim Werkstoff EN AC-42100 konnte ein längerer Rissfortschrittsbereich als beim Werkstoff EN AC-46200 festgestellt werden. Die Restlebensdauer auf Basis der optischen Auswertung beträgt beim Werkstoff EN AC-42100 zwischen 10-15% der Bruchlastspielzahl, wobei bei der Legierung EN AC-46200 die Restlebensdauer nur ca. 10% aufweist. Ausschlaggebend dafür ist die deutlich ausgeprägte Randschichtporosität im höchstbeanspruchten Volumen beim Werkstoff EN AC-46200. Außerdem kann beim Werkstoff EN AC-46200 der Riss an der gefrästen Oberfläche ca. 4% früher mit der Riluminati-Beschichtung erfasst werden. Bei der Graphit-Beschichtung konnte der technische Anriss ebenfalls ähnlich wie bei der Riluminati Beschichtung beurteilt werden, jedoch ist der Riss durch den geringen Kontrastunterschied schwieriger zu finden. Beim Werkstoff EN AC-42100 kann der Riss mit der Graphit-Beschichtung erst etwa 5% später als mit der Riluminati-Beschichtung erfasst werden. Die Riluminati-Beschichtung ist aufgrund der einfacheren optischen Erkennung bzw. Bildauswertung gegenüber der Graphit-Beschichtung zu bevorzugen. Die Rissinitiierungsauswertung über die Steifigkeitsänderung liefert je nach Filter- und Bezugspunktwahl für den Geradenfit signifikant unterschiedliche Initiierungszyklen. Der technische Anriss konnte bei dieser Auswertung bei einer Restlebensdauer von ca. 15% im Mittel erfasst werden. Die Prüftechnik mit optischer Risserfassung ist somit reproduzierbar und liefert aussagekräftige Ergebnisse im Bereich der Risserkennung mit ingenieurmäßig einfachen Mitteln und geringem Kostenaufwand.

AB - Aluminium-Gussbauteile sind in der modernen Fertigungstechnik wie beispielsweise im Automobilbau durch die ständige Weiterentwicklung von industriellen Fertigungsprozessen und Leichtbaukonzepten nicht mehr wegzudenken. Materialien mit geringer Dichte und dabei hohen Festigkeitseigenschaften sind insbesondere bei komplexen Bauteilgeometrien sehr gefragt. Aluminium und deren Legierungen sind durch die gute Gießbarkeit besonders für komplizierte Strukturen geeignet. Komplexe Bauteilgeometrien ergeben durch den Gießprozess systembedingt lokal unterschiedliche Erstarrungseigenschaften, welche sich unter anderem durch variierende Porositätsverteilungen zeigen. Dadurch entstehen signifikante Unterschiede in den Festigkeitseigenschaften. Durch zyklische Belastungen können Ermüdungsrisse auftreten, die zum Versagen des Bauteils führen. Aus der technischen Vergangenheit ist bekannt, dass ein unzureichender Widerstand gegen Rissinitiierung und Risswachstum zu katastrophalen Unfällen und weitreichenden Folgen führen kann. Demzufolge sollen kritische Bauteile in bestimmten Ab-ständen kontrolliert und auf auftretende Risse untersucht werden. Somit ist die Feststellung der technischen Rissinitiierung mittels ingenieurmäßig anwendbaren Methoden von wesentlicher Bedeutung für die zyklische Gebrauchsdauer. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine bestehende Prüfmethodik mit einem optischen Kamerasystem erweitert, um die Rissinitiierungslebensdauer an bauteilähnlichen Strukturen zu ermitteln.Die Grundlage für die Untersuchungen bilden halbringförmige Proben, welche aus dem Wassermantel von Zylinderkurbelgehäusen entnommen werden. Die verwendeten Werkstoffe sind die AlSi-Legierungen EN AC-42100 und EN AC-46200. Es werden Proben mit gussrauer Oberfläche und Proben mit gefräster Oberfläche unter schwellender Belastung geprüft, wobei Biegespannungen an der Oberfläche auftreten. Während der Prüfung wird mit einem handelsüblichen Kamerasystem die Rissinitiierung und der Rissfortschritt aufgenommen. Zur leichteren Risserkennung werden ein Graphit-Spray und eine Zwei-Komponenten-Spezialbeschichtung (Riluminati) eingesetzt. Die Beschichtung beruht auf Lumineszenz und besteht aus einer fluoreszierenden Indikatorschicht, welche nach der Trocknung mit einer schwarzen Deckschicht überdeckt wird. Abhängig vom geprüften Spannungsniveau und der zu erwartenden Bruchlastwechselzahl werden in vorgegebenen Abständen Fotos aufgenommen, welche im Nachhinein auf die Rissentstehung bzw. auf den Zeitpunkt des ersten sichtbaren Risses untersucht werden.Die Auswertung der Rissinitiierung erfolgte auf Basis der Bilddaten und über die Änderung der Steifigkeit. Beim Werkstoff EN AC-42100 konnte ein längerer Rissfortschrittsbereich als beim Werkstoff EN AC-46200 festgestellt werden. Die Restlebensdauer auf Basis der optischen Auswertung beträgt beim Werkstoff EN AC-42100 zwischen 10-15% der Bruchlastspielzahl, wobei bei der Legierung EN AC-46200 die Restlebensdauer nur ca. 10% aufweist. Ausschlaggebend dafür ist die deutlich ausgeprägte Randschichtporosität im höchstbeanspruchten Volumen beim Werkstoff EN AC-46200. Außerdem kann beim Werkstoff EN AC-46200 der Riss an der gefrästen Oberfläche ca. 4% früher mit der Riluminati-Beschichtung erfasst werden. Bei der Graphit-Beschichtung konnte der technische Anriss ebenfalls ähnlich wie bei der Riluminati Beschichtung beurteilt werden, jedoch ist der Riss durch den geringen Kontrastunterschied schwieriger zu finden. Beim Werkstoff EN AC-42100 kann der Riss mit der Graphit-Beschichtung erst etwa 5% später als mit der Riluminati-Beschichtung erfasst werden. Die Riluminati-Beschichtung ist aufgrund der einfacheren optischen Erkennung bzw. Bildauswertung gegenüber der Graphit-Beschichtung zu bevorzugen. Die Rissinitiierungsauswertung über die Steifigkeitsänderung liefert je nach Filter- und Bezugspunktwahl für den Geradenfit signifikant unterschiedliche Initiierungszyklen. Der technische Anriss konnte bei dieser Auswertung bei einer Restlebensdauer von ca. 15% im Mittel erfasst werden. Die Prüftechnik mit optischer Risserfassung ist somit reproduzierbar und liefert aussagekräftige Ergebnisse im Bereich der Risserkennung mit ingenieurmäßig einfachen Mitteln und geringem Kostenaufwand.

KW - Betriebsfestigkeit

KW - Rissinitiierung

KW - Fluoreszenzprüfung

KW - Aluminiumguss

KW - fatigue strength

KW - crack initiation

KW - fluorescence testing

KW - aluminium casting

M3 - Masterarbeit

ER -