Influence of testing frequency on the fatigue behavior in the HCF/VHCF-range of the magnesium alloy AZ31
Final Report Abstract
Es wurden Versuche zur Aufklärung des Frequenzeinflusses auf das Ermüdungsverhalten der Magnesiumlegierung AZ31 durchgeführt. Dabei konzentrierten sich die Experimente auf den höherfrequenten Bereich, der in dieser Form in der Literatur bisher nicht untersucht wurde. Im Fokus der Untersuchungen stand hierbei ein Vergleich des Ermüdungsverhaltens im HCF zu VHCF Übergang bzw. im reinen VHCF-Bereich bei Prüffrequenzen von 75 Hz bzw. 20 kHz. Des Weiteren wurden die Proben im Anschluss rasterelektronenmikroskopisch untersucht. In ersten Versuchen zum transienten Verhalten konnte keine signifikante Verfestigung festgestellt werden. Es zeigte sich lediglich eine leichte Verfestigung in den ersten 10.000 Zyklen, was für die Ermüdungsprüfung im HCF- und VHCF-Bereich jedoch vernachlässigt werden kann. In den Ermüdungsversuchen hat sich gezeigt, dass ein Frequenzeinfluss bei Prüfung der Magnesiumlegierung AZ31 besteht. Die Lebensdauer ist an der Ultraschallermüdungsprüfanlage bei 20 kHz und den untersuchten Spannungsniveaus gegenüber der bei 75 Hz deutlich erhöht. Der Trend, der sich in der Literatur zum Teil schon bei niedrigen Frequenzen andeutete, setzt sich demzufolge bei hochfrequenten Versuchen fort. Es wurde außerdem beobachtet, dass auf der Probenoberfläche der 20 kHz-Proben im Bereich der Rissfront deutlich mehr Gleitbänder sichtbar sind. Aus dieser Beobachtung und der zugehörigen mittleren Risswachstumsgeschwindigkeit wird geschlussfolgert, dass die verlängerte Lebensdauer u.a. ein Effekt des plastizitätsinduzierten Rissschließens ist. Ein weiterer Einfluss auf die unterschiedlichen Lebensdauern sind die unterschiedlichen Mechanismen zur Rissinitiierung. Bei 75 Hz findet die Initiierung an Gleitbändern statt und bei 20 kHz in einem einzelnen günstig orientierten Korn. Dies lässt vermuten, dass die verkürzte Lebensdauer bei 75 Hz auf eine höhere Anzahl potenzieller Rissinitiierungsstellen zurückzuführen ist. Für Aussagen zum konkreten Verformungsmechanismus, d.h. ob es sich tatsächlich um Gleitbänder oder eher um Zwillinge handelt, wären EBSD-Analysen erforderlich. Diese konnten auf Grund der Kürze der Projektlaufzeit nicht in zufriedenstellendem Maße realisiert werden. Dazu wäre eine noch umfangreichere Probenpräparation notwendig. Auf Grund der Bruchflächenmorphologie wird davon ausgegangen, dass es sich in beiden Fällen um Gleitbänder und nicht um Zwillinge handelt. Die Frage, warum bei 20 kHz ein einzelnes, günstig orientiertes Korn rissbestimmend ist wohingegen bei 75 Hz eine höhere Anzahl an potenziellen Rissinitiierungsstellen wirksam wird, lässt sich aktuell nur mit den unterschiedlich großen kritisch beanspruchten Probenvolumina erklären. Bekanntermaßen wirkt die maximale Spannungsamplitude bei der Ultraschallermüdungsprüftechnik nur über eine Länge von ca. 3 mm während sich die maximale Beanspruchung in der identischen Probengeometrie im Fall des Resonanzpulsationsprüfstands über der gesamten Achslänge des minimalen Querschnitts erstreckt. Auch die sehr unterschiedlichen Erscheinungsformen der Rissverläufe und den plastischen Anteilen an den Rissflanken kann in der vorliegenden Untersuchung nicht abschließend erklärt werden, ein Einfluss der gerätespezifischen Versuchsführung ist hierbei aber nicht auszuschließen.
