Schädigungsentwicklung und mechanismenbasierte Lebensdauermodellierung von Aluminiumgusslegierungen unter thermomechanischen Ermüdungsbelastungen

In der vorliegenden Arbeit werden detaillierte Werkstoffuntersuchungen zum temperaturabhängigen Ermüdungs- und Schädigungsverhalten von zwei in Verbrennungsmotoren eingesetzten Aluminiumgusslegierungen vorgestellt. An der Zylinderkopflegierung AlSi7Cu0,5Mg-T7 und der Kolbenlegierung AlSi12Cu3Ni2Mg-T7 werden Zugversuche, niederzyklische sowie thermomechanische Ermüdungsversuche in einem großen Temperaturund Belastungsbereich durchgeführt. Die Überlagerung von hochzyklischen Belastungen führt zu einer signifikanten Abnahme der Lebensdauer im Vergleich zur alleinigen niederzyklischen und thermomechanischen Beanspruchung, die mit der Replika-Technik beobachteten Beschleunigung des Kurzrisswachstums erklärt werden kann. Anhand frakto- und metallographischer Untersuchungen wird aufgezeigt, dass die Rissinitiierung und das Lebensdauerverhalten der Aluminiumgusslegierungen durch Gussdefekte sowie durch belastungs- und temperaturabhängige Schädigungsmechanismen bestimmt werden. Die experimentellen Lebensdauern werden mit einem mechanismenbasierten Risswachstumsmodell vorhergesagt. Zur Berücksichtigung der charakteristischen Schädigungsmechanismen wird der Schädigungsparameter DTMF; brittle vorgestellt, mit dem die Lebensdauern einheitlich und in engen Streubändern beschrieben werden können. Die Lebensdauerreduktion bei der Überlagerung von hochzyklischen Belastungen wird plausibel vorhergesagt. Die Kolbenlegierung wird abschließend auf mikrostruktureller Ebene numerisch mit der Finite-Elemente-Methode untersucht. Dazu wird ein repräsentatives dreidimensionales Mikrostrukturvolumen mittels Computertomographie digitalisiert. Den segmentierten Phasen werden individuelle, zeit- und temperaturabhängige Werkstoffeigenschaften zugewiesen. Durch die Simulation repräsentativer Versuchsbedingungen können die experimentell beobachteten Schädigungsmechanismen fundiert gestützt werden.