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

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.

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.

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.

Im Folgenden werden die eingesetzten Mess- und Prüfsysteme für die mechanischen Untersuchungen als auch die computertomographischen und mikroskopischen Verfahren für die fraktographischen Analysen erläutert.

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.

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.