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2022 | Buch

Charakterisierung und Modellierung des Ermüdungsverhaltens und der Schädigungstoleranz aushärtbarer Al-Si-Mg-Gusslegierungen im HCF- und VHCF-Bereich

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Über dieses Buch

Jochen Tenkamp befasst sich mit der Charakterisierung und Modellierung des Ermüdungsverhaltens und der Schädigungstoleranz von im Kokillen- und Sandguss hergestellten AlSi7Mg0,3-Legierungen im HCF- und VHCF-Bereich. Die Schädigungsevolution wird über eine computertomografische Defektanalyse hochauflösend vom Ausgangszustand über Anriss bis zum Versagen erfasst und mit den struktursensitiven Messgrößen zwecks Kalibrierung korreliert. Die bruchmechanischen Modellierungsansätze ermöglichen eine lokale defektbasierte Betrachtung der Ermüdungsbeanspruchung. Das defektabhängige Ermüdungsverhalten im HCF- und VHCF-Bereich kann mit Hilfe des √area-Modell von Murakami-Noguchi, des Shiozawa-Modells für rissfortschrittsdominierte Werkstoffe und der El Haddad-Kurve mit Tanaka-Erweiterung im Kitagawa-Takahashi-Diagramm zuverlässig beschrieben werden. Die Erkenntnisse gewährleisten eine verbesserte Ausnutzung des Leistungsvermögens und Leichtbaupotentials, eine einheitliche Auslegung defektbehafteter Werkstoffe und dadurch einen sicheren Betrieb langzeitbeanspruchter Strukturen aus Aluminiumgusswerkstoffen im HCF- und VHCF-Bereich.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Kapitel 1. Einleitung
Zusammenfassung
Im Rahmen des Grünen Deals der Europäischen Union (EU) ist eine neue Wirtschaftsstrategie verabschiedet worden, die eine Klimaneutralität bis zum Jahr 2050 vorsieht. Diese Vereinbarung verschärft den Klimaschutzbeitrag der EU im Rahmen des Pariser Klimaabkommens hinsichtlich der Reduktion der Treibhausgase bis 2030 von 40 % auf 50 % gegenüber dem Jahr 1990. Vom Verkehrssektor, der 25 % der Treibhausgasemissionen verantwortet, ist zur Erreichung des Grünen Deals bis 2050 eine Reduktion um 90 % erforderlich.
Jochen Tenkamp
Kapitel 2. Stand der Technik
Zusammenfassung
Aluminium und Aluminiumlegierungen gehören mit einer Dichte von 2,7 kg/dm3 zu den Leichtmetallen und zeichnen sich durch eine hohe spezifische Festigkeit und sehr gute Korrosionsbeständigkeit aus. Zusammen mit den vielfältigen Herstellungs- und Formgebungsmöglichkeiten vom Gießen, Walzen, Schmieden über Spanen und Tiefziehen sind Al-Legierungen heute nach Stahl das wichtigste Gebrauchsmetall. [2] Die weltweite Produktion von Primäraluminium („Hüttenaluminium“) als auch Sekundäraluminium aus Recyclingkreisläufen hat sich dabei in den vergangenen zwei Jahrzenten jeweils mehr als verdoppelt und lag im Jahr 2018 zusammen bei 84,9 Mio. Tonnen mit einem Recyclinganteil von fast 23 %. Die Märkte Verkehr, Bauwesen und Maschinenbau decken dabei mehr als 2/3 des Gesamtaluminiumbedarfs ab.
Jochen Tenkamp
Kapitel 3. Werkstoff und Gießverfahren
Zusammenfassung
Dieses Kapitel gibt einen Überblick über die gießtechnische Herstellung und Weiterverarbeitung der untersuchten AlSi7Mg0,3-Gusslegierungen und beinhaltet die Charakterisierung der Mikrostruktur, Härte und Defekte für die verschiedenen Werkstoffzustände.
Jochen Tenkamp
Kapitel 4. Experimentelle Verfahren
Zusammenfassung
Im Folgenden werden die eingesetzten Mess- und Prüfsysteme für die mechanischen Untersuchungen als auch die computertomographischen und mikroskopischen Verfahren für die fraktographischen Analysen erläutert.
Jochen Tenkamp
Kapitel 5. Ergebnisse und Diskussion
Zusammenfassung
Das Verformungsverhalten und besonders das Plastizitätsverhalten ist unter Ermüdungsbeanspruchung von besonderer Bedeutung für das Rissbildungs- und fortschrittsverhalten. In den Abschnitten 5.1 und 5.2 wurden der Einfluss der Mikrostruktur und Defekte auf das quasi-statische und zyklische Spannungs-Dehnungs-Verhalten charakterisiert. Das Ermüdungsverhalten bei hohen (HCF) und sehr hohen Lastspielzahlen (VHCF) wurde in den Abschnitten 5.3 und 5.4 ermittelt und mit der zustandsspezifischen Mikrostruktur und bruchauslösenden Defektgröße korreliert.
Jochen Tenkamp
Kapitel 6. Zusammenfassung und Ausblick
Zusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit wurde für AlSi7Mg0,3-Gusslegierungen der Einfluss der Mikrostruktur und Defekte auf das quasi-statische und zyklische Verformungsverhalten charakterisiert und die defekt- und mikrostrukturbasierte Abschätzung des Ermüdungs- und Schädigungsverhaltens im HCF- und VHCF-Bereich anhand von bruchmechanischen Modellen validiert. Die untersuchten Werkstoffzustände variierten infolge der verschiedenen Gießverfahren, HIP-Behandlung, Erstarrungsraten und Wärmebehandlungen hinsichtlich Kokillen- und Sandabgüssen, Defektgrößen (50–500 µm), Dendritenarmabständen (40–100 µm), Ausprägung der eutektischen Si-Partikel und dem T6-/T64-Aushärtungszustand (90 110 HV10). Das Ziel war es, die Änderungen der Ermüdungsfestigkeiten, der Wöhler-Kurven und des quasi-statischen und zyklischen Verformungsverhaltens auf Basis von strukturellen Änderungen (u. a. Mikrostruktur, Defekte) zu quantifizieren, die mikrostruktur- und defektabhängigen Schädigungsmechanismen im HCF- und VHCF-Bereich zu analysieren und die kontinuierliche Schädigungsentwicklung hinsichtlich Anrissbildung und Rissfortschritt mittels struktursensitiver Messsysteme zu detektieren.
Jochen Tenkamp
Backmatter
Metadaten
Titel
Charakterisierung und Modellierung des Ermüdungsverhaltens und der Schädigungstoleranz aushärtbarer Al-Si-Mg-Gusslegierungen im HCF- und VHCF-Bereich
verfasst von
Jochen Tenkamp
Copyright-Jahr
2022
Electronic ISBN
978-3-658-38333-6
Print ISBN
978-3-658-38332-9
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-38333-6

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