Browsing by Author "Krätschmer, Daniel Markus"

Now showing 1 - 1 of 1

Open Access
Bewertung mikrostruktureller Werkstoffschädigung bei Schwingbeanspruchung mit stochastischen Methoden
(2011) Krätschmer, Daniel Markus; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Ermüdungsschädigung ist bei polykristallinen Werkstoffen durch die Bildung von Mikrorissen geprägt. Genaue Kenntnisse und die Quantifizierung des Schädigungsverlaufs und damit verbunden eine bessere und genauere Bestimmung der Lebensdauer ermüdungsgefährdeter Bauteile ist sowohl aus technischer als auch ökonomischer Sichtweise anzustreben. Ein mikrostruktureller Ansatz erlaubt eine genauere Qualifizierung des Sicherheitsabstandes und eine genauere Bewertung des aktuellen Schädigungszustandes sowie der Restlebensdauer. Um den Begriff der Werkstoffschädigung zu präzisieren und zu quantifizieren, muss bereits das mikrostrukturelle Risswachstum in die Analyse einbezogen werden. Das ist nur mit Modellen möglich, welche die mikrostrukturellen Vorgänge bei zyklischer Beanspruchung berücksichtigen. Das hier angewandte stochastische Modell bildet das Mikrorisswachstum durch eine Folge sukzessiver Sprünge um ein diskretes mikrostrukturelles Maß, beispielsweise die Kornabmessungen, in Form einer Markov-Kette ab. Die Barrierewirkung der Korngrenzen ist durch das Konzept der Übergangswahrscheinlichkeiten, welche die Prozessintensität bestimmen, berücksichtigt. Die Übergangswahrscheinlichkeiten werden durch ein Schubspannungskriterium unter Berücksichtigung räumlich zufällig verteilter Gleitsysteme bestimmt. Durch diesen Ansatz ist implizit der Mehrachsigkeitseinfluss abgebildet. Die Anwendbarkeit des stochastisch motivierten Mikrorisswachstumsmodells wurde am Beispiel des austenitischen Rohrleitungswerkstoffs X6CrNiNb18-10 für einachsige und mehrachsige Beanspruchungszustände gezeigt. Das Modell bildet die zeitliche Entwicklung der Mikrorissverteilungen an der Probenoberfläche korrekt ab. Mit dem modular aufgebauten Modell können neben polykristalliner Ermüdungsschädigung weitere Mechanismen integriert werden. Auf der Basis der Grundgleichungen des Modells zur Bestimmung der Übergangswahrscheinlichkeit wurden konzeptionelle Anwendungsgrenzen ermittelt. In dieser Arbeit wurde die Kolbengusslegierung AlSi12Cu4MgNi2 hinsichtlich einer möglichen Anwendbarkeit im Rahmen einer Erweiterung des Stochastischen Mikrorisswachstumsmodells untersucht. Die Ermüdungsschädigung bei unterschiedlichen Lasthöhen und Temperaturen wurde durch eine sukzessive Dokumentation von Mantelflächenbereichen licht- und rasterelektronenmikroskopisch analysiert. Die Ermüdungsschädigungsformen und -ausprägungen der bei unterschiedlichen Temperaturen und Lasthöhen geprüften Proben unterscheiden sich deutlich. Während bei Raumtemperatur ein spontanes Probenversagen durch transkristallines Brechen eines großen, unförmigen Siliziumkristalls ausgelöst wird, bildet sich bei höheren Temperaturen eine nahezu vollständige Schädigungslokalisierung in der Matrixphase aus. Bei einer Prüftemperatur von T=250°C werden in Abhängigkeit zur wirkenden Beanspruchungshöhe sowohl einschluss- als auch matrixdominierende Ermüdungsschädigungsformen in Form von Gleitbandstrukturen mit Extrusions- und Mikrorissbildung identifiziert. Durch numerische Mikrostrukturuntersuchungen können die experimentellen Ergebnisse mit einer temperaturabhängigen Lastübertragungsfunktion, dem Auftreten lokaler Plastizität und des lokalen Mehrachsigkeitsquotienten q eindeutig verknüpft werden. Die temperatur- und lastabhängigen Ermüdungsschädigungsformen von AlSi12Cu4MgNi2 wurden hinsichtlich ihrer Umsetzbarkeit im Rahmen des Stochastischen Mikrorisswachstumsmodells untersucht. Die Anwendbarkeit des Stochastischen Mikrorisswachstumsmodells erfordert unabhängig von möglichen Erweiterungen das Auftreten einer ausgeprägten homogenen Schädigungsevolution. Wenn die Lebensdauer maßgeblich durch die Rissinitiierungsphase geprägt ist, kann das Modell nicht angewendet werden. Einzelrisswachstum kann zwar prinzipiell abgebildet werden, führt aber zu keinen aussagekräftigen Ergebnissen. Für die Untersuchungen bei höheren Temperaturen konnte auf der gewählten mikrostrukturellen Betrachtungsweise kein mikrostrukturelles Maß zur Berücksichtigung möglicher Barrierewirkung qualifiziert werden. Hinsichtlich einer Werkstoffoptimierung bei Al-Si-Legierungen zeigen die vorgenommenen Untersuchungen, dass die übliche Optimierung einzelner mikrostruktureller Parameter wie beispielsweise die Reduktion der Siliziumkristallgröße, die Optimierung der Rundheit der Einschlüsse als auch die Reduktion von Einschlussagglomerationen nicht für den gesamten technisch relevanten Temperaturbereich eine Optimierung der Ermüdungsfestigkeit darstellt, sondern gesondert auf seine temperatur- und lasthöhenabhängigen Auswirkungen untersucht werden muss.