Ermüdungsverhalten und Bruchenergie von Aluminiumschaum

Geschäumtes Aluminium, wie es z.B. vom LKZ Ranshofen (AlulightTM ) hergestellt wird, könnte aufgrund seiner hervorragenden Eignung als Energieabsorber als Konstruktionsmaterial für Fahrzeugkomponenten (Stichwort: Leichtbau, Aufprallschutz) Anwendung finden. Wie für alle Bauteile in Fahrzeugen sind auch bei einer solchen Anwendung die im Normalbetrieb auftretenden zyklischen Lasten für das Ermüdungsverhalten des Werkstoffes verantwortlich. Die Kenntnis der Ermüdungseigenschaften eines Materials ist für seine Anwendung deshalb notwendig, um die ökonomische Optimierung der eingesetzten Rohstoffe einerseits, wie auch die Garantie der Betriebssicherheit (Lebensdauer, Inspektionsintervalle, etc.) zu ermöglichen. Speziell für ein neues Konstruktionsmaterial wie Aluschaum müssen, da noch keine empirischen Daten vorliegen, diese mechanischen Eigenschaften gemessen werden, bevor eine Verwendung als Konstruktionsmaterial erfolgen kann. Nur so können Bauteile richtig konstruiert werden, so daß der Ausfall durch Ermüdungsrißbildung ausgeschlossen werden kann. Die hohe Zahl der Lastwechsel, dem ein Bauteil eines Kraftfahrzeuges ausgesetzt ist sowie die Eigenschaft der Dauerfestigkeit bei Aluguß machen es notwendig, ein zeit- und energiesparendes Prüfverfahren anzuwenden, um das Ermüdungsverhalten des Werkstoffes in jenem Lastwechselbereich zu untersuchen der für seine Anwendung typisch ist. Für Aluminiumguß ist ein Dauerfestigkeitsverhalten (Abflachung der Wöhlerkurve) bei Präsenz von Hohlräumen aufgrund von Gußfehlern im Material vorhanden. Für Aluschaum kann ein solches Verhalten ebenfalls erwarten werden. Das Ultraschall-Resonanzverfahren ist für die Messung der Ermüdungseigenschaften für Werkstoffe im Fahrzeugbereich hervorragend geeignet und hat sich seit vielen Jahren für Messungen der Betriebsfestigkeit von Komponenten, wie auch für die Entwicklung neuer Materialien im Automobil-, wie auch im Flugzeugbau bewährt. Die Bruchenergie ist aufgrund des zellulären Aufbaus des Materials und seiner möglichen Anwendung eine signifikante Werkstoffgröße. Die Kenntnis dieser Größe, zusammen mit der statischen Festigkeit und der Ermüdungsfestigkeit des Materials, ist für den Einsatz des Materials von wesentlichem Interesse für die Industrie. Der Keilspaltversuch ist ein Testverfahren, das die Messung der spezifischen Bruchenergie anhand von Lastverschiebungskurven für verschiedenste Materialien erlaubt. Sowohl spröde, wie auch duktile Materialien können geprüft werden. Die Lastverschiebungskurven liefern Information über das Bruchverhalten bis zur völligen Trennung der Bruchstücke und sind daher vor allem in Verbindung mit den Schallemissionsmessung sehr gut geeignet, das Verhalten des Schaummaterials zu studieren. Die Interpretation der Meßergebnisse wird durch die Auswertung der REM-Messungen und der CT-Bilder erheblich verbessert werden. Vor allem wird dadurch der Zusammenhang zwischen Ermüdungsfestigkeit, Bruchenergie und dem Aufbau des Materials, der Porengröße und Größenverteilung der Poren möglich. Da die Messung der Werkstoffgrößen und das Studium des Bruchverhaltens ein sehr junges Gebiet der Materialwissenschaft ist, sind von der Durchführung und Auswertung der ,Messungen neue und interessante Aussagen zu erwarten.

Ermüdungsmessungen wurden mittels dem Ultraschall-Resonanzverfahren an mehreren Aluminium-Schäumen mit verschiedener chemischer Zusammensetzung durchgeführt. Diese Messungen geben Aufschluss über das Ermüdungsverhalten im Bereich sehr hoher Lastwechselzahlen die für die Transportindustrie typisch ist. Konstruktive, lasttragende Bauelemente in Fahrzeugen, die für Versteifungen oder Sicherheitssysteme verwendet werden sind während ihrer Lebenszeit 108 bis 109 Lastwechseln ausgesetzt. Parallel dazu wurden Vergleichsmessungen mit einer konventionellen Prüfapparatur durchgeführt, um einen etwaigen Einfluss der Prüffrequenz zu erfassen. Die Schaumproben sind zylindrisch, weisen eine Länge von 50 mm und einen Durchmesser von 17 mm und eine geschlossene Außenhaut auf. Die Dichte des Materials beträgt 0,54 kg/dm3 . Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass kein Einfluss der Prüffrequenz feststellbar ist, die Ergebnisse sind, bis auf einen gewissen Streubereich gleich. Das Material zeigt eine Dauerfestigkeit, d.h. unterhalb einer gewissen zyklischen Belastung zeigt sich kein Probenversagen aufgrund von Ermüdungsrissen mehr. Allerdings gibt es eine Schädigung einzelner Zellwände, deren Risswachstum jedoch durch die Zellknoten gestoppt wird. Die Bruchenergie, gemittelt über einen relativ großen Bruchbereich, ist für das inhomogene Material Schaum eine wichtige mechanische Kenngröße. Konventionelle bruchmechanische Kenngrößen (z.B. kritische Spannungsintensität) berücksichtigen nicht die hohe plastische Verformbarkeit des Material sowie seine inhomogene Struktur. Das Keilspaltverfahren ist für Materialien mit sprödem wie auch duktilem Bruchverhalten geeignet und zeichnet sich durch einfache Handhabung aus. Die Bruchenergien zeigen relativ hohe Werte, was auf das hohe plastische Deformationsvermögen der Zellwände hinweist. Zudem ist deutlich der Einfluss des Siliziumgehalts sichtbar, Aluminiumschaum mit hohem Siliziumgehalt bricht deutlich spröder und weist nur einen Bruchteil der plastischen Energieabsorption auf.