TECHNISCHE UNIVERSITÄT DARMSTADT
FACHBEREICH MASCHINENBAU
FACHGEBIET UND INSTITUT FÜR WERKSTOFFKUNDE
Abteilung Oberflachentechnik und Korrosion

Studienarbeit

Schwingfestigkeitsuntersuchungen
an druckgegossenen Magnesiumprobekörpern
mit künstlichen und herstellungsbedingten Fehlstellen

vorgelegt von

Oliver Zimprich

Darmstadt, im November 2003

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis  I
Abbildungsverzeichnis  III
Tabellenverzeichnis  VI
Bedeutung der Formelzeichen und Abkurzungen  VII

1 Einleitung  1

2 Guss- und Gefügefehler  3
2.1 Lunker  3
2.2 Mikroporosität  4
2.3 Gasporosität  6
2.4 Metallische Einschlusse  7
2.5 Oxideinschlusse  8

3 Einflussfaktoren auf die Schwingfestigkeit  10
3.1 Einfluss von Werkstoffinhomogenitaten 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 Lochern  14
4.3 Effekt von kleinen, synthetischen Lochern 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
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 Wohlerkurven  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
Abb. 1.1: Anwendungen von Magnesiumlegierungen [eigene Darstellung]  1
Abb. 2.1: Lunker, AZ91, Vergrößerung 200:1 [6]  3
Abb. 2.2: Zustandsdiagramm Magnesium-Aluminium-Legierungen [6]  4
Abb. 2.3: Dichte von Magnesium in Abhängigkeit der Temperatur [6]  5
Abb. 2.4: Mikroporosität bei Gusseisen mit Lamellengraphit, Vergrößerung 10:1, ungeatzt [7]  5
Abb. 2.5: Mikroporosität bei einem Gussteil aus austenitischem Gusseisen mit Kugelgraphit, Vergrößerung 10:1, ungeatzt [7]  6
Abb. 2.6: eingeschlossene Luftporen bei einem Druckgussteil aus GD-AlSi9Cu3, Vergrößerung 10:1, ungeatzt [7]  7
Abb. 2.7: Aluminiumgusslegierung, eisenhaltige Aluminium-Mehrstoffbindung, die Mikroharte liegt zwischen 800 und 1000, Vergrößerung 300:1 [7]  8
Abb. 2.8: Aluminiumgusslegierung, SiC-Einschluss, Vergrößerung 100:1 [7]  8
Abb. 2.9: Oxidhaute, AE42, Vergrößerung 200:1 [6]  9
Abb. 5.1: Probenform langer Prüfkörper [eigene Darstellung]  18
Abb. 5.2: Probenform kurzer Prüfkörper [eigene Darstellung]  18
Abb. 5.3: Umlaufbiegemaschine Typ STANDARD [eigene Darstellung]  19
Abb. 5.4: Umlaufbiegemaschine Typ RAPID [eigene Darstellung]  19
Abb. 6.1: Wöhlerkurve lange, ungekerbte Proben [eigene Darstellung]  21
Abb. 6.2: Wöhlerkurve lange, gekerbte Proben (Prüflast 10 kg) [eigene Darstellung]  22
Abb. 6.3: Wöhlerkurve lange, gekerbte Proben (Prüflast 30 kg) [eigene Darstellung]  22
Abb. 6.4: Wöhlerkurve Kalottenschliff [eigene Darstellung]  23
Abb. 6.5: Wöhlerkurve kurze, ungekerbte Proben [eigene Darstellung]  24
Abb. 6.6: Wöhlerkurve kurze, gekerbte Proben (Prüflast 1 kg) [eigene Darstellung] 25
Abb. 6.7: Wöhlerkurve kurze, gekerbte Proben (Prüflast 10 kg) [eigene Darstellung]  25
Abb. 6.8: Wöhlerkurve kurze, gekerbte Proben (Prüflast 30 kg) [eigene Darstellung]  26
Abb. 6.9: REM, Vergrößerung 280:1, dendritische Mikrostruktur mit Lunker, Probenkörper Nr.61 [eigene Darstellung]  28

[...]

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 Wohlerkurven [eigene Darstellung]  26
Tab. 6.2: Gegenüberstellung Größe der Anrisslinse [eigene Darstellung]  32
Tab. 7.1: Gegenüberstellung charakteristische Werte Wohlerkurven lange Proben [eigene Darstellung]  41
Tab. 7.2: Gegenüberstellung charakteristische Werte Wohlerkurven 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

Bedeutung der Formelzeichen und Abkürzungen

[...]

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 fuhrt dies zwangsläufig zu erhöhtem Kraftstoffverbrauch. Neben der Konstruktion von sparsameren Aggregaten stellt die Möglichkeit des Leichtbaus eine wesentliche Losung 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 [...], einen Elastizitätsmodul von E = 45.000 MPa und einen Schubmodul von G = 17.000 MPa. Im Vergleich zum klassischem Leichtbauwerkstoff Aluminium [...] 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 Giesverfahren 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 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).

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].

[....]