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).
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Guss- und Gefügefehler
2.1 Lunker
2.2 Mikroporosität
2.3 Gasporosität
2.4 Metallische Einschlüsse
2.5 Oxideinschlüsse
3 Einflussfaktoren auf die Schwingfestigkeit
3.1 Einfluss von Werkstoffinhomogenitäten auf die Schwingfestigkeit
3.2 Einfluss von Einschlüssen auf die Schwingfestigkeit
3.3 Einfluss von Korrosion auf die Schwingfestigkeit
3.4 Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Schwingfestigkeit
4 Das Modell von Yukitaka Murakami
4.1 Modellvorstellung
4.2 Effekt von kleinen, synthetischen Löchern
4.3 Effekt von kleinen, synthetischen Löchern mit unterschiedlichen Durchmessern und Tiefen
5 Verwendete Werkstoffe und Prüfmethode
5.1 Verwendete Werkstoffe
5.2 Prüfmethode
6 Ergebnisse
6.1 Wöhlerkurven
6.1.1 Wöhlerkurven von langen, ungekerbten Prüfkörpern
6.1.2 Wöhlerkurven von langen, gekerbten Prüfkörpern
6.1.3 Wöhlerkurven von kurzen, ungekerbten Prüfkörpern
6.1.4 Wöhlerkurven von kurzen, gekerbten Prüfkörpern
6.2 Fraktografie
6.2.1 Rasterelektronenmikroskopie
6.2.1.1 Verfahren
6.2.1.2 Untersuchungen
6.2.2 Lichtmikroskopie
6.2.2.1 Verfahren
6.2.2.2 Untersuchungen
7 Diskussion
8 Zusammenfassung
9 Literatur
10 Anhang
10.1 Versuchsmatrizen
10.1.1 Versuchsmatrix lange, ungekerbte Proben
10.1.2 Versuchsmatrix lange, gekerbte Proben
10.1.3 Versuchsmatrix kurze, ungekerbte Proben
10.1.4 Versuchsmatrix kurze, gekerbte Proben
10.2 Wöhlerkurven
10.2.1 Wöhlerkurve lange, ungekerbte Proben
10.2.2 Wöhlerkurve lange, gekerbte Proben (Prüflast 10 kg)
10.2.3 Wöhlerkurve lange, gekerbte Proben (Prüflast 30 kg)
10.2.4 Wöhlerkurve lange, gekerbte Proben (Kalottenschliff)
10.2.5 Wöhlerkurve kurze, ungekerbte Proben
10.2.6 Wöhlerkurve kurze, gekerbte Proben (Prüflast 1 kg)
10.2.7 Wöhlerkurve kurze, gekerbte Proben (Prüflast 10 kg)
10.2.8 Wöhlerkurve kurze, gekerbte Proben (Prüflast 30 kg)
10.2.9 Wöhlerkurve lange Proben
10.2.10 Wöhlerkurve kurze Proben
Zielsetzung und Themen der Arbeit
Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss von verschiedenen Werkstoffinhomogenitäten – wie Lunkern, Poren und anderen herstellungsbedingten Fehlstellen – auf das Schwingfestigkeitsverhalten der Magnesiumlegierung AZ91hp zu untersuchen und grundlegende Aussagen zur Ermüdungssicherheit zu treffen.
- Analyse von Guss- und Gefügefehlern in Magnesium-Druckguss
- Einfluss von Inhomogenitäten und künstlichen Fehlstellen auf die Schwingfestigkeit
- Anwendung des Modells von Yukitaka Murakami auf Magnesiumlegierungen
- Experimentelle Bestimmung von Wöhlerkurven
- Fraktografische Untersuchung des Bruchverhaltens mittels REM und Lichtmikroskopie
Auszug aus dem Buch
3.1 Einfluss von Werkstoffinhomogenitäten auf die Schwingfestigkeit
Lunker und Poren sind Werkstoffinhomogenitäten die maßgeblichen Einfluss auf die Schwingfestigkeit von Aluminium- und Magnesiumlegierungen haben. 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 äußert. Als grundlegende Entstehungsursachen von Poren sind neben der bereits erwähnten Abnahme des Volumens des Giessmetalls bei der Abkühlung und Erstarrung die Gasausscheidung aus der Schmelze sowie Gasabgabe aus dem Formstoff zu nennen.
Wegen der statistischen Verteilung der Lage und Größe der Defekte können die in Ermüdungsversuchen gemessenen Schwingfestigkeiten stark streuen. Korreliert man die unterschiedlichen Lebensdauern verschiedener Proben mit der Größe des Defektes an der Risseinleitungsstelle, so zeigt sich, dass ein Zusammenhang zwischen der Größe des Hohlraumes und der Bruchlastenspielzahl besteht. Dies gilt sowohl bei Wöhlerversuchen [8] als auch bei simulierten Betriebslasten [9]. Die Ursache dafür ist, dass sich wegen der Spannungskonzentration an Gussfehlern bereits bei niedrigen Lastspielzahlen Anrisse bilden und die Lebensdauer im Wesentlichen von der erforderlichen Lastspielzahl zur Verlängerung des Anrisses bis zum Bruch bestimmt wird [8, 10-12].
Die Geschwindigkeit, mit der der Ermüdungsriss wächst, ist in der linear-elastischen Bruchmechanik durch den zyklischen Spannungsintensitätsfaktor bestimmt. Der Spannungsintensitätsfaktor ist eine Kenngröße für die Schädigung, welche auf Grundlage der Bruchmechanik dem durch Poren und Lunker geschädigten Materialbereich zugewiesen wird. Dazu wird angenommen, dass der schadhafte Materialbereich einem Anriss entspricht. Die Kenngröße K hängt mit guter Näherung nur von der Spannungsamplitude σ und der Querschnittsfläche des Anrisses „area“ in Spannungsrichtung ab und kann näherungsweise folgendermaßen berechnet werden [13]:
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt den Trend zum Leichtbau in Fahrzeugen und die Motivation zur Untersuchung der Schwingfestigkeit von Magnesiumlegierungen.
2 Guss- und Gefügefehler: Gibt einen Überblick über typische Gussfehler wie Lunker, Mikroporosität, Gasporosität sowie metallische und Oxid-Einschlüsse.
3 Einflussfaktoren auf die Schwingfestigkeit: Erläutert den Einfluss von Gefügedefekten, Korrosion und Temperatur auf das Ermüdungsverhalten von Legierungen.
4 Das Modell von Yukitaka Murakami: Stellt das Modell zur Bewertung von kleinen Fehlstellen und synthetischen Löchern im Hinblick auf die Ermüdungsgrenze vor.
5 Verwendete Werkstoffe und Prüfmethode: Beschreibt die Zusammensetzung der Magnesiumlegierung AZ91hp sowie die Versuchsaufbauten mit Umlaufbiegemaschinen.
6 Ergebnisse: Präsentiert die experimentell ermittelten Wöhlerkurven und die fraktografische Analyse mittels Rasterelektronen- und Lichtmikroskopie.
7 Diskussion: Analysiert die Versuchsergebnisse im Hinblick auf den Einfluss von Fehlstellen auf die Rissbildung und den Spannungsintensitätsfaktor.
8 Zusammenfassung: Fasst die zentralen Erkenntnisse aus den experimentellen Untersuchungen der Arbeit zusammen.
Schlüsselwörter
Schwingfestigkeit, Magnesiumlegierung, AZ91hp, Druckguss, Gussfehler, Lunker, Mikroporosität, Ermüdungsverhalten, Wöhlerkurve, Spannungsintensitätsfaktor, Bruchmechanik, Fraktografie, Rissausbreitung, Fehlstellengröße, Dauerfestigkeit
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Studienarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht das Ermüdungsverhalten der Magnesium-Druckgusslegierung AZ91hp und analysiert, wie sich herstellungsbedingte Defekte und künstlich eingebrachte Fehlstellen auf die Schwingfestigkeit auswirken.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die Themen umfassen die Entstehung von Gussfehlern (Poren, Lunker), den theoretischen Rahmen nach dem Modell von Murakami sowie die experimentelle Bestimmung der Ermüdungseigenschaften durch Biegeversuche.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist es, den Einfluss verschiedener Inhomogenitäten im Materialgefüge quantitativ zu bewerten und ein Verständnis dafür zu entwickeln, wie diese Defekte das Bruchverhalten unter schwingender Belastung beeinflussen.
Welche wissenschaftlichen Methoden wurden verwendet?
Es wurden mechanische Umlaufbiegeversuche durchgeführt sowie fraktografische Analysen mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Lichtmikroskopie, um Bruchflächen und Rissausbreitungsprozesse zu untersuchen.
Was behandelt der Hauptteil der Arbeit?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Betrachtung von Gussfehlern und dem Murakami-Modell, die Beschreibung der Werkstoffzusammensetzung und Prüfverfahren sowie die detaillierte Auswertung und Diskussion der Wöhlerkurven.
Welche Keywords charakterisieren diese Arbeit am besten?
Die Arbeit lässt sich am besten über Begriffe wie Schwingfestigkeit, Magnesium, Druckguss, Ermüdungsverhalten, Lunker, Spannungsintensitätsfaktor und Bruchmechanik einordnen.
Warum spielt die Größe der Fehlstelle eine entscheidende Rolle für die Ergebnisse?
Die Größe der Fehlstelle bestimmt maßgeblich den Spannungsintensitätsfaktor, der entscheidet, ob ein an einem Gussfehler entstandener Anriss zum globalen Bauteilversagen führt oder ob er als stehender Riss verbleibt.
Welche Besonderheit weisen die untersuchten Proben mit synthetischen Fehlstellen auf?
Die künstlichen Fehlstellen, die analog zu einer Vickers-Härteprüfung eingebracht wurden, ermöglichten eine exakte Kontrolle über die Defektgeometrie, was den direkten Vergleich zwischen theoretischem Modell und experimentellem Versagen erlaubte.
- Citar trabajo
- Oliver Zimprich (Autor), 2005, Schwingfestigkeitsuntersuchungen an druckgegossenen Magnesiumprobekörpern mit künstlichen und herstellungsbedingten Fehlstellen, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/35390
