INHALTSVERZEICHNIS I

Inhaltsverzeichnis   

Inhaltsverzeichnis   I

Abbildungsverzeichnis.   III

Tabellenverzeichnis. VI   

Bedeutung  der Formelzeichen und Abkürzungen  VII

1  Einleitung.  1

2  Guss- und Gefügefehler.  3

2.1  Lunker  3

2.2  Mikroporosität.  4

2.3  Gasporosität  6

2.4  Metallische Einschlüsse  7

2.5  Oxideinschlüsse  8

3  Einflussfaktoren auf die Schwingfestigkeit  10

3.1  Einfluss von Werkstoffinhomogenitäten auf die Schwingfestigkeit  10

3.2  Einfluss von Einschlüssen auf die Schwingfestigkeit.  11

3.3  Einfluss von Korrosion auf die Schwingfestigkeit  12

3.4  Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Schwingfestigkeit.  13

4  Das Modell von Yukitaka Murakami  14

4.1  Modellvorstellung  14

4.2  Effekt von kleinen, synthetischen Löchern.  14

4.3  Effekt von kleinen, synthetischen Löchern mit unterschiedlichen  

Durchmessern  und Tiefen  16

5  Verwendete Werkstoffe und Prüfmethode.  17

5.1  Verwendete Werkstoffe  17

5.2  Prüfmethode.  18

6  Ergebnisse.  21

6.1  Wöhlerkurven  21

6.1.1  Wöhlerkurven von langen, ungekerbten Prüfkörpern.  21

6.1.2  Wöhlerkurven von langen, gekerbten Prüfkörpern.  21

6.1.3  Wöhlerkurven von kurzen, ungekerbten Prüfkörpern  23

6.1.4  Wöhlerkurven von kurzen, gekerbten Prüfkörpern  24

6.2  Fraktografie.  27

6.2.1  Rasterelektronenmikroskopie  27

6.2.1.1  Verfahren  27

INHALTSVERZEICHNIS II

6.2.1.2  Untersuchungen  27

6.2.2  Lichtmikroskopie  34

6.2.2.1  Verfahren  34

6.2.2.2  Untersuchungen  34

7  Diskussion  40

8  Zusammenfassung.  46

9  Literatur.  47

10  Anhang  49

10.1  Versuchsmatrizen.  49

10.1.1  Versuchsmatrix lange, ungekerbte Proben  49

10.1.2  Versuchsmatrix lange, gekerbte Proben  50

10.1.3  Versuchsmatrix kurze, ungekerbte Proben  51

10.1.4  Versuchsmatrix kurze, gekerbte Proben  51

10.2  Wöhlerkurven  53

10.2.1  Wöhlerkurve lange, ungekerbte Proben.  53

10.2.2  Wöhlerkurve lange, gekerbte Proben (Prüflast 10 kg)  54

10.2.3  Wöhlerkurve lange, gekerbte Proben (Prüflast 30 kg)  54

10.2.4  Wöhlerkurve lange, gekerbte Proben (Kalottenschliff)  55

10.2.5  Wöhlerkurve kurze, ungekerbte Proben  55

10.2.6  Wöhlerkurve kurze, gekerbte Proben (Prüflast 1 kg)  56

10.2.7  Wöhlerkurve kurze, gekerbte Proben (Prüflast 10 kg)  56

10.2.8  Wöhlerkurve kurze, gekerbte Proben (Prüflast 30 kg)  57

10.2.9  Wöhlerkurve lange Proben  57

10.2.10  Wöhlerkurve kurze Proben  58

ABBILDUNGSVERZEICHNIS   

Abbildungsverzeichnis   

Abb.  1.1: Anwendungen von Magnesiumlegierungen eigene Darstellung  

Abb.  2.1: Lunker, AZ91, Vergrößerung 200:1 6  

Abb.  2.2: Zustandsdiagramm Magnesium-Aluminium-Legierungen 6  

Abb.  2.3: Dichte von Magnesium in Abhängigkeit der Temperatur 6  

Abb.  2.4: Mikroporosität bei Gusseisen mit Lamellengraphit, Vergrößerung 10:1,  

unge  ätzt 7  

Abb.  2.5: Mikroporosität bei einem Gussteil aus austenitischem Gusseisen mit  

Kugelgraphit  , Vergrößerung 10:1, ungeätzt 7  

Abb.  2.6: eingeschlossene Luftporen bei einem Druckgussteil aus GD-AlSi9Cu3,  

Vergrößerung  10:1, ungeätzt  

Abb.  2.7: Aluminiumgusslegierung, eisenhaltige Aluminium-Mehrstoffbindung, die  

Mikroh  ärte liegt zwischen 800 und 1000, Vergrößerung 300:1 7  

Abb.  2.8: Aluminiumgusslegierung, SiC-Einschluss, Vergrößerung 100:1 7  

Abb.  2.9: Oxidhäute, AE42, Vergrößerung 200:1 6  

Abb.  5.1: Probenform langer Prüfkörper eigene Darstellung  

Abb.  5.2: Probenform kurzer Prüfkörper eigene Darstellung  

Abb.  5.3: Umlaufbiegemaschine Typ STANDARD eigene Darstellung  

Abb.  5.4: Umlaufbiegemaschine Typ RAPID eigene Darstellung  

Abb.  6.1: Wöhlerkurve lange, ungekerbte Proben eigene Darstellung  

Abb.  6.2: Wöhlerkurve lange, gekerbte Proben (Prüflast 10 kg) eigene Darstellung  

Abb.  6.3: Wöhlerkurve lange, gekerbte Proben (Prüflast 30 kg) eigene Darstellung  

Abb.  6.4: Wöhlerkurve Kalottenschliff eigene Darstellung  

Abb.  6.5: Wöhlerkurve kurze, ungekerbte Proben eigene Darstellung  

Abb.  6.6: Wöhlerkurve kurze, gekerbte Proben (Prüflast 1 kg) eigene Darstellung  

Abb.  6.7: Wöhlerkurve kurze, gekerbte Proben (Prüflast 10 kg) eigene Darstellung  

Abb.  6.8: Wöhlerkurve kurze, gekerbte Proben (Prüflast 30 kg) eigene Darstellung  

Abb.  6.9: REM, Vergrößerung 280:1, dendritische Mikrostruktur mit Lunker,  

Probenk  örper Nr 61 eigene Darstellung  

ABBILDUNGSVERZEICHNIS IV

Abb. 6.10: REM, Vergrößerung 500:1, Lunker, Probenkörper Nr.46 [eigene

Darstellung]................................................................................................................. 28 Abb. 6.11: REM, Vergrößerung 11:1, Bruchfläche, Probenkörper Nr.59 [eigene

Darstellung]................................................................................................................. 29 Abb. 6.12: REM, Vergrößerung 14:1, Bruchfläche, Probenkörper Nr.30 [eigene

Darstellung]................................................................................................................. 29 Abb. 6.13: REM, Vergrößerung 105:1, Anrisslinse, Probenkörper Nr.64 [eigene

Darstellung]................................................................................................................. 30 Abb. 6.14: REM, Vergrößerung 250:1, Mikrobruchstruktur, Probenkörper Nr.64

[eigene Darstellung].................................................................................................... 30 Abb. 6.15: REM, Vergrößerung 1000:1, Mikrobruchstruktur, Anriss, Probenkörper

Nr.64 [eigene Darstellung].......................................................................................... 31 Abb. 6.16: REM, Vergrößerung 1000:1, Mikrobruchstruktur, Bruchfortschritt,

Probenkörper Nr.64 [eigene Darstellung]................................................................... 31 Abb. 6.17: REM, Vergrößerung 1000:1, Mikrobruchstruktur, Restgewaltbruch,

Probenkörper Nr.64 [eigene Darstellung]................................................................... 32 Abb. 6.18: Lichtmikroskopische Untersuchung, Vergrößerung 1000:1, geätzt,

Lunker, Versuchskörper Nr.21 [eigene Darstellung].................................................. 35 Abb. 6.19: Lichtmikroskopische Untersuchung, Vergrößerung 16:1, ungeätzt, Porenverteilung kurzer Prüfkörper, Versuchskörper Nr.5 [eigene Darstellung] ........ 35 Abb. 6.20: Lichtmikroskopische Untersuchung, Vergrößerung 16:1, ungeätzt, Porenverteilung langer Prüfkörper, Versuchskörper Nr.21 [eigene Darstellung] ...... 36 Abb. 6.21: Lichtmikroskopische Untersuchung, Vergrößerung 16:1, ungeätzt, Poren,

Versuchskörper Nr.5 [eigene Darstellung] ................................................................. 36 Abb. 6.22: Lichtmikroskopische Untersuchung, Vergrößerung 1000:1, ungeätzt,

Oxidhaut, Versuchskörper Nr.39 [eigene Darstellung] .............................................. 37 Abb. 6.23: Lichtmikroskopische Untersuchung, Vergrößerung 500:1, geätzt, interkristalline Rissausbreitung, Versuchskörper Nr.21, σ = 130 MPa, N = 9·10 4

[eigene Darstellung].................................................................................................... 38 Abb. 6.24: Lichtmikroskopische Untersuchung, Vergrößerung 1000:1, geätzt, transkristalline Rissausbreitung, Versuchskörper Nr.21, σ = 130 MPa, N = 9·10 4

[eigene Darstellung].................................................................................................... 38

ABBILDUNGSVERZEICHNIS V

Abb. 6.25: Lichtmikroskopische Untersuchung, Vergrößerung 1000:1, geätzt, Mischform der Rissausbreitung, Versuchskörper Nr.21, σ = 130 MPa, N = 9·10 4

[eigene Darstellung].................................................................................................... 39 Abb. 6.26: Lichtmikroskopische Untersuchung, Vergrößerung 500:1, ungeätzt, Risseinleitung an synthetischer Fehlstelle, Versuchskörper Nr.21, σ = 130 MPa, N =

9·10 ⁴ [eigene Darstellung] .......................................................................................... 39 Abb. 7.1: Wöhlerkurven, lange Proben [eigene Darstellung]..................................... 40 Abb. 7.2: Wöhlerkurven, kurze Proben [eigene Darstellung] .................................... 41 Abb. 7.3: Wöhlerkurve, lange Proben, Durchläufer [eigene Darstellung] ................. 42 Abb. 7.4: Wöhlerkurve, kurze, gekerbte Proben, Durchläufer [eigene Darstellung] . 43 Abb. 7.5: berechneter Spannungsintensitätsfaktor für gebrochene Proben und

Durchläufer [eigene Darstellung] ............................................................................... 44

TABELLENVERZEICHNIS VI

Tabellenverzeichnis

Tab. 5.1: Zusammensetzung der Magnesium-Druckgusslegierung AZ91hp in

Gewichtsprozent [eigene Darstellung]........................................................................ 17 Tab. 5.2: Charakteristische Eigenschaften der Mg-Legierung AZ91 [eigene

Darstellung]................................................................................................................. 17 Tab. 6.1: Gegenüberstellung charakteristische Werte Wöhlerkurven [eigene

Darstellung]................................................................................................................. 26 Tab. 6.2: Gegenüberstellung Größe der Anrisslinse [eigene Darstellung] ................. 32 Tab. 7.1: Gegenüberstellung charakteristische Werte Wöhlerkurven lange Proben

[eigene Darstellung].................................................................................................... 41 Tab. 7.2: Gegenüberstellung charakteristische Werte Wöhlerkurven kurze Proben

[eigene Darstellung].................................................................................................... 42 Tab. 7.3: lange Prüfkörper, herstellungsbedingte Fehlstellen [eigene Darstellung]... 45 Tab. 7.4: kurze Prüfkörper, herstellungsbedingte Fehlstellen [eigene Darstellung]... 45

FORMELZEICHEN UND ABKÜRZUNGEN VII

Bedeutung der Formelzeichen und Abkürzungen

EINLEITUNG 1

1 Einleitung

In den letzten Jahren kann ein Trend zu schwereren Fahrzeugen beobachtet werden, was primär aus der Kundenanforderung nach mehr Komfort und höherer aktiver und passiver Sicherheit resultiert. Bei gleich bleibender Motorisierung führt dies zwangsläufig zu erhöhtem Kraftstoffverbrauch. Neben der Konstruktion von sparsameren Aggregaten stellt die Möglichkeit des Leichtbaus eine wesentliche Lösung dieses Problem dar [1].

Die Forderung, Fahrzeuge leichter zu bauen, kann auf unterschiedliche Weise erfüllt werden. Neben einer günstig gestalteten Bauteilgeometrie ist der Einsatz von Werkstoffen mit niedriger Dichte von besonderem Interesse. Die Dichte als einziges Kriterium ist aber nicht allein ausreichend. Wichtig ist die spezifische Festigkeit, das heißt das Verhältnis aus Festigkeit und Dichte. Da eine Vielzahl der Komponenten nicht nur statischen, sondern meistens schwingenden Belastungen unterworfen ist, muss für die Ermittlung der spezifischen Festigkeit die Schwingfestigkeit als Kriterium herangezogen werden.

In den vergangenen Jahren führte dies zu einem verstärkten Einsatz von Magnesiumlegierungen. Magnesium besitzt eine Dichte von ρ = 1,7 g/cm³, einen Elastizitätsmodul von E = 45.000 MPa und einen Schubmodul von G = 17.000 MPa. Im Vergleich zum klassischem Leichtbauwerkstoff Aluminium (ρ = 2,6 g/cm³, E = 71.000 MPa, G = 26.000 MPa) ist Magnesium etwa um den Faktor 1,5 leichter [2, 3]. Magnesiumlegierungen sind wegen ihrer guten Gießbarkeit hierbei von besonderem Interesse. So werden derzeit Bauteile mit komplexen Geometrien, wie zum Beispiel Schaltsaugrohre, Getriebegehäuse, Ölwannen, Tankcovers im Gießverfahren standardmäßig hergestellt. Dabei wird aus der Gruppe der Magnesiumlegierungen die Legierung AZ91 am häufigsten verwendet [4].

Abb. 1.1: Anwendungen von Magnesiumlegierungen [eigene Darstellung] Die Schwingfestigkeit von Magnesiumlegierungen wird neben dem mechanischen Spannungszustand und den Umgebungsbedingungen Korrosion und Temperatur

EINLEITUNG 2

hauptsächlich durch die Fertigungsbedingungen und die daraus resultierenden Materialdefekte beeinflusst. So ziehen Hohlräume in Druckgussstücken, die während der Erstarrung der Schmelze entstehen, eine deutliche Herabsetzung der Schwingfestigkeit nach sich. In Abhängigkeit der Gießtechnik gibt es für diese Hohlräume zwei Gründe: Zum einen resultieren sie aus in der Schmelze gelösten Gasen, Poren genannt, und zum anderen aus der Schrumpfung der Schmelze während der Erstarrung, Lunker genannt. An diesen Fehlstellen bilden sich bevorzugt Anrisse, welche insbesondere die Lebensdauer bei niedrigen zyklischen Lasten und hohen Lastspielzahlen vermindern [5].

Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss von Werkstoffinhomogenitäten auf die Schwingfestigkeit der Magnesiumlegierung AZ91hp zu untersuchen und Aussagen über das Ermüdungsverhalten zu machen.

Zunächst soll in Kapitel 2 ein kurzer Überblick über typische Guss- und Gefügefehler gegeben werden. Im dritten Kapitel werden Einflussfaktoren auf die Schwingfestigkeit genannt. Das experimentelle Vorgehen ist an das Modell von Yukitaka Murakami angelehnt, welches im vierten Kapitel näher beschrieben wird. Kapitel 5 hat die verwendeten Werkstoffe und die Prüfmethode zum Inhalt. Das sechste Kapitel bildet den Ergebnisteil, welcher sich in Wöhlerkurven und Fraktographie gliedert. Abschließend folgt die Diskussion (Kap. 7) und die Zusammenfassung (Kap. 8). Das Ende bilden das Literaturverzeichnis (Kap. 9) und der Anhang (Kap. 10).

GUSS- UND GEFÜGEFEHLER 3

2 Guss- und Gefügefehler

2.1 Lunker

„In Abhängigkeit der Erscheinungsform der Makrolunker unterscheidet man geschlossene Lunker (Innenlunker) und offene Lunker (Außenlunker). Daraus ergibt sich die Lage der Lunker logischerweise derart, dass Außenlunker in der Regel in oberen Gussstückbereichen, die zuletzt erstarren, in dickwandigen

Gussstückbereichen sowie in Einguss- und Anschnittnähe auftreten. Innenlunker kommen besonders in größeren Wanddickenbereichen und an starken Wanddickenübergängen vor. Die Lunkerbildung tritt bei allen technischen Gusswerkstoffen unabhängig vom Form- bzw. Gießverfahren auf. Allerdings verfügt die Druckgießtechnik über Möglichkeiten zur Vermeidung bzw. Minimierung der Lunkerbildung, nämlich durch den Aufbau eines hohen Enddrucks unmittelbar im Anschluss an die Formfüllung. Gasporosität (siehe Kap. 2.3) wird dadurch jedoch nicht vermieden“ [7].

Abb. 2.1: Lunker, AZ91, Vergrößerung 200:1 [6]

„Lunker entstehen, da das spezifische Volumen der gebräuchlichen Gussmetalle im flüssigen Zustand größer als im festen Zustand ist. Beim Erstarren und Abkühlen unterliegen diese Metalle daher einer Kontraktion. Dabei tritt ein Volumendefizit auf, das sich in Form von Fehlern, wie Lunkern und Mikroporosität äußert. Die so genannte Lunkerung ergibt sich demzufolge aus der Wechselwirkung zwischen dem

GUSS- UND GEFÜGEFEHLER 4

physikalischen Volumendefizit während des Erstarrungsablaufes und der Möglichkeit seines Ausgleiches durch Nachspeisung“ [7].

2.2 Mikroporosität

„Mikroporosität tritt an Stellen im Gussstück auf, die zuletzt erstarren, vor allem aber an Stellen mit Materialanhäufungen und Wanddickenübergängen. Besonders anfällig sind Legierungen mit breitem Erstarrungsintervall (Abb. 2.2 und 2.3). Die Fehler stellen sich in einem schwammartigen, aufgelockerten, porösen Bruchgefüge dar und sind nicht immer mit bloßem Auge zu erkennen (Abb. 2.4 und 2.5). Ähnlich wie die Gasporosität (Kap. 2.3) wird Mikroporosität erst bei der Prüfung der Gussstücke auf Dichtheit, nach der Bearbeitung oder bei einer galvanischen Oberflächenbehandlung deutlich“ [7].

Abb. 2.2: Zustandsdiagramm Magnesium-Aluminium-Legierungen [6]

GUSS- UND GEFÜGEFEHLER 5

Abb. 2.3: Dichte von Magnesium in Abhängigkeit der Temperatur [6] „Die Aufteilung des Gesamtvolumendefizits auf Makrolunker, äußere Schwindung und Mikroporosität ist vom Erstarrungsablauf abhängig, der durch die Zusammensetzung, den Keimhaushalt, die Abkühlungsbedingungen sowie durch die geometrischen Verhältnisse des Stückes beeinflusst wird“ [7].

Abb. 2.4: Mikroporosität bei Gusseisen mit Lamellengraphit, Vergrößerung 10:1, ungeätzt [7]