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Characterization of the very early and very reduced fatigue crack growth in Al-alloys under very low loading conditions

Subject Area Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
Term from 2014 to 2021
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 256256999
 
Final Report Year 2021

Final Report Abstract

Es wurde ein umfangreiches Versuchsprogramm zur Untersuchung des Risswachstumsverhaltens von Aluminiumknetlegierungen im Bereich sehr kleiner Lastamplituden durchgeführt. Neben der Variation der Kerblage bezogen auf die Walztextur lag ein Schwerpunkt auf der Untersuchung unterschiedlicher Belastungsszenarien (Vor- und Überlast, Laborluft und Vakuum). Die Versuche konzentrierten sich im Wesentlichen auf die ausscheidungshärtbare Knetlegierung (EN AW-6082), da am Ultraschallermüdungsprüfsystem aufgrund der Regelungstechnik nur eine Prüfung im linear-elastischen Bereich erfolgen kann. Im Falle der Legierung EN AW-5083 konnte jedoch unterhalb der Streckgrenze kein Probenversagen beobachtet werden. Die Versuche wurden an Luft und im Vakuum durchgeführt. Es hat sich in den Untersuchungen gezeigt, dass die mikrostrukturellen Gefügebestandteile das Langrisswachstum im schwellenwertnahen Bereich beeinflussen. Das Risswachstum wird an Primärausscheidungen und Korngrenzen verlangsamt und in einigen Fällen komplett gestoppt. Insgesamt ist der Einfluss von Primärausscheidungen, insbesondere den eisenhaltigen, höher zu bewerten. Aus den CT-Untersuchungen ist zu entnehmen, dass bei duktilen Merkmalen auf der Bruchfläche, das heißt, Bereiche in denen die Rissfront komplett gestoppt wurde, stets eisenhaltige Primärausscheidungen vorliegen. Im maximal ausscheidungsgehärteten Zustand ist der Einfluss der Fe-haltigen Ausscheidungen etwas abgeschwächt. Es wird angenommen, dass dies durch die Härteabnahme der Al-Matrix im überalterten Zustand begründet ist. Dadurch steigt der Härteunterschied zwischen Matrix und Ausscheidung und damit die Barrierewirkung. In einigen Fällen konnte schubspannungsgesteuertes Risswachstum beobachtet werden. Dies tritt vor allem dann auf, wenn die Rissspitze in einem großen Korn lokalisiert ist. Des Weiteren ist der Bereich, in dem schubspannungsgesteuertes Wachstum auftritt, oftmals ausscheidungsfrei, wie es auch die CT-Aufnahme zeigt. Die plastische Zone vor der Rissspitze entspricht in diesem Fall nicht mehr der klassischen Bruchmechanik. Es bildet sich nur eine Zone erhöhter Missorientierung aus, welche entlang der {1 1 0}-Ebene ausgerichtet ist. Dies wurde sowohl für die Versuche bei R = -1 als auch für die Versuche bei R = 0,1 beobachtet. Bei Versuchen im Vakuum konnte schubspannungsgesteuertes Risswachstum auch noch bei höheren Spannungsintensitätsfaktoren beobachtet werden. Die Versuche mit Umgebungswechsel haben dabei den signifikanten atmosphärischen Einfluss verdeutlicht. Durch die Abwesenheit der korrosiven Atmosphärenbestandteile in der Umgebungsluft ist im Vakuum die Gleitreversibilität deutlich höher. Es tritt eine ausgeprägte Stadium I-Rissausbreitung aus. Es sind generell keine großen Unterschiede zwischen den Wechsel- und den Vorlastversuchen feststellbar. Lediglich in der Interaktion mit den Primärausscheidungen konnte ein Wechsel von Pinning hin zum Brechen der Ausscheidungen beobachtet werden. Von Bedeutung für die Anwendung ist letztendlich die Erkenntnis, dass (geometrisch) lange Risse bei hinreichend kleiner Belastung nicht zwangsläufig schadensrelevant sind, da sie an mikrostrukturellen Barrieren, wie Korngrenzen und Primärausscheidungen, gestoppt werden können. Dies ist vor allem bedeutend für Bauteile, die bereits von Beginn an rissbehaftet sind, sei es durch fertigungsbedingte Mikrorisse an der Oberfläche oder durch innere Defekte im Werkstoff. Hier könnte nach wie vor ein Einsatz mit entsprechenden Inspektionsintervallen erfolgen.

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