Thermo-mechanische Ermüdung von MMC

Die Kombination einer hochfesten keramischen Phase mit einer duktilen Leichtmetallmatrix zu einem metallischen Verbundwerkstoff (MMC) eröffnet diesen modernen Werkstoffen Anwendungsbereiche, die dem reinen Matrixwerkstoff bislang nicht zugänglich waren. Die Erhöhung von Festigkeit, E-Modul, Verschleißbeständigkeit, Ermüdungsfestigkeit vor allem bei höheren Temperaturen prädestiniert MMC`s für den Einsatz in Verbrennungsmotoren. Partikelverstärkte Leichtmetalle können über konventionelle Formgebungsverfahren (Gießen, Schmieden, Extrudieren) weiterverarbeitet werden, was aus ökonomischen Gründen von großem Vorteil ist. Dies war mit ein Grund, daß diese Gruppe von MMC`s in den letzten Jahren immer mehr mögliche Anwendungen gefunden hat, die teilweise schon in die Praxis umgesetzt wurden (Zylinderlaufbuchsen, ICE- Bremsscheibe). Für Bauteile, die sowohl einer mechanischen als auch zyklisch thermischen Belastung ausgesetzt sind (Zylinderlaufbuchsen, Bremsscheiben, Pleuel... ), ist das detaillierte Verständnis des thermo-mechanischen Ermüdungsverhaltens essentiell. Um zur Kompensation des derzeit vorhandenen Wissensdefizites beizutragen, hat dieses Projekt zum Ziel, anwendungsorientiert Grundlagenwissen über das Verhalten von diskontinuierlich verstärkten Leichtmetallen unter thermo-mechanischer Ermüdungsbeanspruchung zu generieren. Geplant sind thermo-mechanische Ermüdungsversuche an verschiedenen verstärkten und unverstärkten Aluminiumlegierungen in technisch relevanten Wärmebehandlungszuständen. Mit Hilfe dieser Versuche und deren genauer Protokollierung soll die Lebensdauer in Abhängigkeit der thermo-mechanischen Belastungskollektive bestimmt und als Stoffgesetz formuliert werden. Die Degradation der Materialeigenschaften und die lebensdauerbestimmenden Versagensmechanismen sollen analysiert und den jeweiligen Werkstoffzuständen gegenübergestellt werden. Das Verständnis des Schädigungsverhaltens ist letztendlich für die Lebensdauervorhersage und für die Werkstoffoptimierung unerläßlich. Zur analytischen Interpretation der Untersuchungsergebnisse aus Elektronen- und Lichtmikroskopie soll das mikrostrukturelle Verhalten systematisch mit der jeweiligen thermo-mechanischen Belastungsgeschichte korreliert werden. Ein essentieller Teil dieses Projektes sind thermo-mechanische "in situ experimente" die mittels einer miniaturisierten Testapparatur im Rasterelektronenmikroskop durchgeführt werden sollen. Mit Hilfe dieser Untersuchungsmethode soll die Möglichkeit geschaffen werden, Werkstoffschädigungen "in statu nascendi" zu untersuchen und die einzelnen durch konventionelle Untersuchungsmethoden schwer abgrenzbaren Versagensmechanismen mit den jeweiligen thermo-mechanischen Belastungen exakt zu korrelieren.

Eine Verstärkung der untersuchten Aluminumlegierungen mit Keramikteilchen bewirkt eine Verschlechterung der Kriechbeständigkeit sowohl bei thermozyklischer als auch bei isothermer Kriechbelastung, was vor allem auf die Wirkung thermisch induzierter Spannungen zurückzuführen ist. Wenn Kurzfasern als Verstärkungskomponente verwendet werden, kommt es hingegen zu einer deutlichen Verbesserung der Kriechbeständigkeit, wobei der Einfluß des Wärmebehandlungszustandes vernachlässigbar wird. Anhand drei verschiedener Werkstoffe wird das Verhalten von diskontinuierlich verstärkten Aluminium Legierungen bei thermomechanischer Ermüdung untersucht. Je eine partikelverstärkte Guß- und Knetlegierung wurden mittels Einrührverfahren erzeugt und vom Leichtmetall-Kompetenzzentrum Ranshofen stranggepreßt, eine kurzfaserverstärkte Gußlegierung wurde im Preßguß-Verfahren an der TU Clausthal hergestellt. Die Prüfung des thermomechanischen Ermüdungsverhaltens erfolgt mit der Gleeble Apparatur: bei konstanten Lastniveaus werden die Werkstoffe im Bereich zwischen 50 und 300C thermisch zykliert bis sie brechen. Das Aufheizen der Proben durch direkten Stromdurchgang sowie die Abkühlung mit Druckluft ermöglichen dabei Aufheiz- bzw. Abkühlraten von 12,5 K/s (dadurch Zykluszeit < 1 min). Die wichtigsten Ergebnisse der thermozyklischen Kriechversuche sind die minimale Kriechrate, die im Bereich des stationären Kriechens auftritt, sowie die Lebensdauer bis zum Bruch, die durch die Anzahl der thermischen Zyklen angegeben wird. Die Partikelverstärkung bewirkt eine deutliche Verschlechterung der Kriechbeständigkeit: es kommt zu einer Verkürzung der Lebensdauer verglichen mit unverstärkten Referenzproben, die unter den selben Bedingungen geprüft werden. Allerdings zeigt die partikelverstärkte Gußlegierung bei niedriger Belastung aufgrund eines starken Anstiegs der Duktilität zum Teil höhere Lebensdauer als die unverstärkte Matrixlegierung.. Bereits realisierte Serienanwendungen für partikelverstärkte Metallmatrix Verbundwerkstoffe sind die Bremsscheiben in einigen PKW Typen oder auch im ICE der Deutschen Bahn. Eine Verstärkung mit Kurzfasern hingegen bewirkt bei allen Proben eine Erhöhung der Lebensdauer. Zudem wird der Einfluß der Wärmebehandlung verglichen mit den unverstärkten Proben vernachlässigbar. Diese Ergebnisse lassen sich durch modifizierte Werkstoffgesetze für isothermes Kriechen verallgemeinern. Innere Spannungen durch die unterschiedlichen, thermischen Ausdehnungskoeffizienten beeinflussen das Ermüdungsverhalten positiv. Durch Charakterisierung der Faserlängen, mittels metallographischer Untersuchungen sowie durch Versuche mit der Insitu Zug-/Heiz-Einheit im Elektronenmikroskop kann der Verlauf der Schädigung mit unterschiedlichen Faserbruchmechanismen korreliert werden. Diese Werkstoffart wird im Kolben von Dieselmotoren als selektive Verstärkung eingesetzt. Das Verhalten von diskontinuierlich verstärkten Metallmatrix Verbundwerkstoffen bei thermomechanischer Beanspruchung wird durch unterschiedliche Prüfmethoden untersucht. Es gelingt, die Einflüsse der unterschiedlichen Verstärkungskomponenten, der Wärmebehandlungen oder der Lastniveaus auf das Kriechverhalten zu erkennen. Durch die Teilnahme an internationalen Forschungskooperationen und einen regen Informationsaustausch können die auftretenden Phänomene werkstoffkundlich erklärt werden.