Verformungs- und Versagensverhalten von partikelverstärkten Aluminiumlegierungen bei thermischer und thermisch-mechanischer Ermüdungsbeanspruchung
Final Report Abstract
Im abgeschlossenen Projekt Lo347/13 erfolgten umfassende, experimentelle Untersuchungen an der unverstärkten Aluminium-Knetlegierung EN AW-6061-T6 sowie den Metallmatrixverbundwerkstoffen auf Basis derselben Legierung mit 15 und 22 vol.-% Al2O3-Partikelverstärkung. Schwerpunkt der Untersuchungen war die Charakterisierung des thermischen und thermisch-mechanischen Ermüdungsverhaltens, die von ausführlichen und aufwendigen Untersuchungen zur Schädigungs- und Eigenspannungsentwicklung im Matrixwerkstoff begleitet wurden. Auf dieser Grundlage wurde der Einfluss den TF-Zyklen überlagerter höherfrequenter Temperaturzyklen sowie den ebenfalls TMF-Zyklen überlagerter mechanischer HCF-Beanspruchungen analysiert. Hierbei wurden die Schädigungsentwicklung und der Eigenspannungsverlauf in der Matrix ebenfalls untersucht. Zur Grundcharakterisierung der Werkstoffe wurden isotherme Zug- und Ermüdungsversuche durchgeführt, eine metallographische und chemische Charakterisierung vorgenommen und die Textur sowie Eigenspannungen röntgenographisch ermittelt. Ein Vergleich der Resultate zeigt, dass bei TF-Beanspruchung im beheizten Bereich der Probe eine prinzipiell gleiche Schädigungsentwicklung wie bei Out-of-Phase TMF Beanspruchungen auftritt. Dies wird durch die Entwicklung von Zugeigenspannungen im beheizten Bereich der TF Proben bestätigt. Aufgrund der höheren Maximalspannungen weisen die verbundwerkstoffe eine geringere Lebensdauer als die unverstärkte Matrix auf. Die wesentlichen Mechanismen des Eigenspannungsaufbaus bei TF- und bei TMF-Beanspruchung wurden identifiziert. Insbesondere die Wechselwirkung zwischen Partikeln und Matrix aufgrund mechanischer und thermischer Fehlpassungen in den MMCs konnte mit Hilfe der Eigenspannungsentwicklungen unter TF- und TMF-Beanspruchung vom Eigenspannungsaufbau aufgrund großskaliger Temperaturgradienten bei TF Beanspruchung separiert und erklärt werden. Der TMF-Beanspruchung überlagerte mechanische HCF-Belastungen reduzieren die Lebensdauer des unverstärkten Materials bereits bei geringsten Amplituden. Bei den Verbundwerkstoffen ist dies erst der Fall, sobald die Amplitude der überlagerten Beanspruchung einen Schwellenwert überschreitet. Die Eigenspannungsentwicklung in der Matrix wird durch die überlagerte HCF-Beanspruchung nicht signifikant beeinflusst, ist also vorwiegend durch die TMF-Beanspruchung bestimmt. Dagegen zeigt sich an den Probenoberflächen ausgeprägte Gleitbandbildung, die bei reiner TMF-Beanspruchung nicht beobachtet wurde. Allerdings wird die Makrorissbildung und -ausbreitung wie bei reiner TMF durch an Korn- und Phasengrenzen entstandene Risse dominiert. Werden den thermischen Ermüdungszyklen höherfrequente thermische Beanspruchungen überlagert, ändert sich das Schädigungsbild und die Eigenspannungsentwicklung nicht wesentlich, die Rissbildung wird jedoch beschleunigt. Während also eine klare Korrelation zwischen dem Verhalten bei TMF und bei TF Beanspruchung möglich ist, auf deren Grundlage die Lebensdauer thermisch beanspruchter Bauteile mittels Resultaten aus TMF Versuchen erfolgen kann, ist dies bei überlagerten höherfrequenten Beanspruchungen nicht möglich.
Publications
- Residual Stress Development due to Thermal Cycling of the Particle Reinforced Alloy EN AW-6061: Experiment and Simulation, Int. J. Mat. Res. 97 (2006), 1627-1632
Sebastan Heimann, Michael Pohl, Arne M. Klaska, Tilmann Beck
- Thermisch-mechanisches Ermüdungsverhalten der partikelverstärkten Aluminiumknetlegierung EN-AW6061 T6 und die Entwicklung von Eigenspannungen im Matrixwerkstoff unter thermisch-mechanischer Beanspruchung, Mat.Wiss.Werkstofftechnik 37 (2006), 637- 648
Arne M. Klaska, Tilmann Beck, Alexander Wanner, Detlef Löhe
- Gefügedarstellung der stranggepressten Aluminium-Knetlegierung EN 6061 und der MMC-Werkstoffe EN 6061 verstärkt mit 15 und 22 Vol.-% Al2O3 Partikeln, Prakt. Metallographie 44 (2007), 33-51
Arne M. Klaska, Adelheid Ohl, Eberhard Kerscher, Tilmann Beck, Detlef Löhe
- Residual stress evolution and damage processes of an Al2O3 particle reinforced Aluminium alloy under thermal fatigue loading, ICM-10, Busan, Korea, May 27-31, 2007
Tilmann Beck, Arne M. Klaska, Detlef Löhe
- Residual stresses and Damage of Al2O3 Particle reinforced Al-6161 under Thermal Fatigue Loading, Procs 6th Int. Conf. on Low Cycle Fatigue LCF-6, Berlin, Germany, September 8-12, 2008, 211-216
Arne M. Klaska, Tilmann Beck, Alexander Wanner, Detlef Löhe
- Residual Stress and Damage Development in the Aluminium Alloy EN AW-6061 Particle-reinforced with Al2O3 under Thermal Fatigue Loading, Mat.Sci. Engng. A501 (2009), 6-15
Arne M. Klaska, Tilmann Beck, Alexander Wanner, Detlef Löhe
