Identifikation und Modellierung der Schädigungsmechanismen in Al-Si-Mg-Gusslegierungen während Ermüdungsbeanspruchung bei hohen und sehr hohen Lastspielzahlen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Projekt wurde am Beispiel von drei aushärtbaren Al-Si-Mg-Gusslegierungen mit 3%, 7% und 10% die Wechselwirkung zwischen Defekten, Mikrostruktur und den Ermüdungseigenschaften untersucht. Der Einfluss von Defekten anhand von Poren wurde für Kokillengusszustände der AlSi7Mg0,3-Legierung quantifiziert. Der Einfluss der Mikrostruktur, insb. des Dendritenarmabstands, wurde für Sandgusszustände im Stufenkeil (vier DAS) der Legierungen AlSi3Mg0,3, AlSi7Mg0,3 und AlSi10Mg0,3 charakterisiert. Neben den Ermüdungs- und Rissfortschrittsuntersuchungen wurde eine umfangreiche Charakterisierung der Porosität (CT, Lichtmikroskopie), der Mikrostruktur (Licht- und Elektronenmikroskopie) und des Bruchverhaltens (CT, Licht- und Elektronenmikroskopie) durchgeführt. Erst die Korrelation von Defekten, Mikrostruktur und Eigenschaften ermöglichte die Evaluierung der bruchmechanischen Modelle von Murakami, Shiozawa und El Haddad (Kitagawa-Takahashi-Diagramm). Das quasi-statische Spannungs-Dehnungs-Verhalten wird primär von Defekten (u.a. Poren, Oxide) und der Morphologie der eutektischen Si-Partikel beeinflusst. Das Ermüdungsverhalten ist primär von der Härte und den Defekten abhängig. Entsprechend konnte das Murakami- bzw. √area-Konzept mit Noguchi- Erweiterung für Leichtmetalle validiert werden. Im HCF-Bereich stellten sich unabhängig vom Gießverfahren eine relative Haupt-Wöhlerkurve ein, die zur Vorhersage der Zeitfestigkeit genutzt werden kann. Die Zeitfestigkeit kann für die teil- und vollausgehärteten Zustände (T6, T64) darüber hinaus mittels Shiozawa-Kurven zuverlässig auf Basis der Defektgröße vorhergesagt werden. Zustände vergleichbarer Mikrostruktur aber unterschiedlicher Porosität weisen dabei die gleiche Shiozawa-Kurve auf. Das bedeutet, dass die Ergebnisse für einen Porositätszustand für die Abschätzung von synthetischen Wöhlerkurven für spezifische Defektgrößen des gleichen Mikrostrukturzustands genutzt werden können. Darüber hinaus konnte mit Hilfe der Schwellenwerts für technischen Rissfortschritts und der Ermüdungsfestigkeit für einen „defektfreien“ Zustand anhand von Kitagawa-Takahashi-Diagrammen mit El Haddad-Kurve zuverlässig zwischen Durchläufer und Probenbruch unterschieden werden. Mit Hilfe der relativen Haupt-Wöhlerkurve nach Murakami-Noguchi sowie Korrelationen zwischen den QSD-Kennwerten und der Ermüdungsfestigkeit konnte das KT-Diagramm um Zeitfestigkeitsbereich und die QSD-Kennwerte erweitert werden. Es wurde ein signifikanter Prüffrequenzeinfluss auf das Ermüdungsverhalten festgestellt. Zur weiteren Eingrenzung wurden zusätzlich zu den Versuchen bei 70 Hz und 20 kHz noch 1 kHz-Versuche durchgeführt. Auch hier kam es zu einer Lebensdauerverlängerung um 1 Dekade im Vergleich zu 2 Dekaden bei 20 kHz. Eine spezifische Literaturrecherche konnte dies auf einen Umgebungseinfluss zurückführen und die Wasserbeladung an der Rissspitze, die von der Umgebungsfeuchtigkeit und der Einwirkdauer der Umgebungsfeuchtigkeit je Lastspiel abhängt. Es konnte ein signifikanter Einfluss des sekundären Dendritenarmabstandes auf den Schwellenwert gegen technische Rissausbreitung nachgewiesen werden. Dabei beeinflusst ein geringer Denditenarmabstand den Widerstand gegen Rissausbreitung negativ. Thermografische Untersuchungen zeigten einen lokalen Temperaturanstieg im Bereich der Rissinitiierung und ließen auf diese Weise eine genauere Bestimmung des Rissinitiierungorts zu. Die Entwicklung eines Modells zur Kurzrisssimulation bietet den Grundstein für Lebensdauervorhersagen auf Basis von Mikrostruktursimulationen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Einfluss der Porositätscharakteristik auf das Ermüdungs- und Rissfortschrittsverhalten der Aluminiumgusslegierung EN AC-AlSi7Mg0, 3. Werkstoffprüfung 2016 - Fortschritte in der Werkstoffprüfung für Forschung und Praxis, Hrsg.: H.-J. Christ, Stahleisen, ISBN 978-3-514-00830-4 (2016) 77–82
Knorre, S.; Krupp, U.; Michels, W.; Tenkamp, J.; Walther, F.
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Influence of microstructural characteristics on the VHCF behavior of the aluminum cast alloy EN ACAlSi7Mg0.3. VHCF7, Proceedings of the 7th International Conference on Very High Cycle Fatigue, Dresden, ISBN 978-3- 00-056960-9 (2017) 223–228
Knorre, S.; Tenkamp, J.; Krupp, U.; Michels, W.; Walther, F.
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Comparison of microstructure and mechanical properties of Scalmalloy® produced by selective laser melting and laser metal deposition. Materials 11, 1 (2018) 1–17
Awd, M.; Tenkamp, J.; Hirtler, M.; Siddique, S.; Bambach, M.; Walther, F.
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Defect-correlated fatigue assessment of A356-T6 aluminum cast alloy using computed tomography-based Kitagawa-Takahashi diagrams. International Journal of Fatigue 108 (2018) 25–34
Tenkamp, J.; Koch, A.; Knorre, S.; Krupp, U.; Michels, W.; Walther, F.
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Influence of secondary dendrite arm spacing (SDAS) on the fatigue properties of different conventional automotive aluminum cast alloys. Fratturà ed Integrita Strutturale 48 (2018) 105–115
Gerbe, S.; Krupp, U.; Michels, W.
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Influence of the microstructure on the cyclic stress-strain behaviour and fatigue life in hypo-eutectic Al-Si-Mg cast alloys. Fatigue 2018, Matec Web of Conferences 165, 15004 (2018) 1–8
Tenkamp, J.; Koch, A.; Knorre, S.; Krupp, U.; Michels, W.; Walther, F.
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The significance of microstructure heterogeneities on the fatigue thresholds of aluminum castings. Fatigue 2018, Matec Web of Conferences 165, 14005 (2018) 1–7
Gerbe, S.; Knorre, S.; Krupp, U.; Michels, W.
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Advanced characterization of the cyclic deformation and damage behavior of Al-Si-Mg cast alloys using hysteresis analysis and alternating current potential drop method. Light Metals 2019, Hrsg.: C. Chesonis, Springer, ISBN 978-3-030-05864-7 (2019) 167–175
Tenkamp, J.; Bleicher, K.; Klute, S. Chrzan, K.; Koch, A.; Walther, F.
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Microstructural influences on the fatigue crack initiation and propagation mechanisms in hypo-eutectic Al- Si cast alloys. Procedia Structural Integrity 23 (2019) 511–516
Gerbe, S.; Tenkamp, J.; Scherbring, S.; Bleicher, K.; Krupp, U.; Michels, W.; Walther, F.
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Fracture-mechanical assessment of the effect of defects on the fatigue lifetime and limit in cast and additively manufactured aluminum-silicon alloys from HCF to VHCF regime. Metals 10 (7), 943 (2020) 1–18
Tenkamp, J.; Awd, M.; Siddique, S.; Starke, P.; Walther, F.
