Mikrostruktur- und mechanismenkorrelierte Charakterisierung des Korrosionsermüdungsverhaltens der kriechfesten Magnesiumlegierungen DieMag422 und AE42
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projekts wurde am Beispiel der beiden kriechbeständigen Magnesiumlegierungen DieMag422 und AE42 eine innovative Versuchsmethodik zur Charakterisierung des Korrosionsermüdungsverhaltens angewendet und etabliert. Einerseits wurde das Korrosionsermüdungsverhalten beider untersuchter Legierungen bei verschiedenen, gezielt eingestellten Korrosionsraten geprüft und so auch der Einfluss der Korrosionsrate und -mechanismen mit in die Betrachtung einbezogen, die gerade bei Magnesiumlegierungen aufgrund der geringen Korrosionsbeständigkeit eine entscheidende Rolle in Bezug auf das Korrosionsermüdungsverhalten spielen. Andererseits wurde ein selbstentwickeltes mechanisch-elektrochemisches Sensorsystem während der Versuche eingesetzt, mittels dem charakteristische Korrosionsermüdungsschädigungsvorgänge identifiziert und verfolgt wurden. In Einstufenversuchen auf den unterschiedlichen Korrosionsstufen konnte festgestellt werden, dass die wahre Ermüdungsfestigkeit mit der eingestellten Korrosionsrate bzw. dem hierdurch hervorgerufenen korrosiven Materialabtrag korreliert, wodurch es möglich ist die Ermüdungsfestigkeit auf Grundlage der Korrosionsrate abzuschätzen. Außerdem konnten durch die Versuchsmethodik auch unmittelbar der Einfluss der Korrosionsmorphologie sowie von Spannungsrisskorrosionseffekten aufzeigt werden. Weiterhin kann der methodische Ansatz, die Korrosionsrate gezielt künstlich anzuheben, auch für eine zeitgeraffte Darstellung von Korrosionsermüdungsvorgängen benutzt werden, wodurch sich auch weiterführende Anwendungsaspekte ergeben, wie bspw. die Charakterisierung von degradierbaren Implantatmaterialien. Auf Grundlage des selbstentwickelten mechanisch-elektrochemischen Sensorsystems konnten Schädigungs- und Versagensmechanismen in allen betrachteten Lebensdauerbereichen zuverlässig beschrieben werden. Im Bereich der Ermüdungsfestigkeit (HCF-Bereich) konnte belegt werden, dass keine Interaktion zwischen mikrostrukturellen Veränderungen des Probenmaterials aufgrund der zyklischen Beanspruchung und der korrosiven Belastung erfolgt, wodurch der messtechnische Nachweis erbracht wurde, dass die Ermüdungsfestigkeit eine reine Funktion der Korrosionsrate ist. Demgegenüber konnte im Bereich der Kurzzeitfestigkeit (LCF-Bereich) eine starke Interaktion zwischen elektrochemisch aktivierten Bereichen der Probenoberflächen durch Zwillings- und/oder Gleitbandbildung und dem korrosiven Medium festgestellt werden, die das Wechselverformungsverhalten vom ersten Lastwechsel an beeinflusst. In diesem Zusammenhang wurde auch festgestellt, dass das Passivierungsverhalten der Legierungen unmittelbaren Einfluss auf das Ermüdungsverhalten hat, da es auch zu Repassivierung der gebildeten Verformungszwillinge/Gleitbänder kommen kann. Darüber hinaus konnten durch die eingesetzte Sensorik alle für die Korrosionsermüdungslebensdauer relevanten Phasen, also Rissinitiierungslebensdauer/Mikrorissbildung sowie stabiles und instabiles Risswachstum, identifiziert werden, wodurch auch Spannungsrisskorrosionseffekte unmittelbar aufgezeigt werden konnten. Hierdurch wäre auch ein Einsatz dieser Versuchstechnik als Ersatz für aufwändige Rissfortschrittsversuche denkbar, um unterschiedliche Einflussfaktoren auf das Rissausbreitungsverhalten aufzuzeigen. Das entwickelte Sensorsystem wurde zudem in Laststeigerungsversuchen als Kurzzeit- Korrosionsermüdungsprüfmethode eingesetzt. Hierbei konnten die wahren Ermüdungsfestigkeiten auf allen Korrosionsstufen abgeschätzt werden. Dementsprechend stellen Laststeigerungsversuche eine ideale Ergänzung zum o.g. Ansatz der Ermüdungsuntersuchungen unter variierter korrosiver Beanspruchung dar, da mittels weniger und schnell durchzuführender Versuche eine umfassende Abschätzung der Korrosionsermüdungsfestigkeit über ein breites Korrosionsratenspektrum erfolgen kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Mikrostrukturbasierte Beschreibung des Korrosionsermüdungsverhaltens der kriechbeständigen Magnesiumlegierung Mg-4Al-2Ba-2Ca. Werkstoffprüfung 2014 – Fortschritte in der Werkstoffprüfung für Forschung und Praxis, Hrsg.: W. Grellmann, H. Frenz, Stahleisen, ISBN 978-3-9814516-8-9 (2014) 309-314
Klein, M.; Wittke, P.; Walther, F.
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Electrochemical-based assessment of the corrosion fatigue behavior of creep-resistant magnesium alloys DieMag422 and AE42. Mg2015, Proc. of the 10th Int. Conference on Magnesium Alloys and Their Applications (2015) 1-13
Klein, M.; Wittke, P.; Walther, F.
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Corrosion fatigue assessment of creep-resistant magnesium alloy Mg-4Al-2Ba-2Ca in aqueous sodium chloride solution. International Journal of Fatigue 83, 1 (2016) 59-65
Wittke, P.; Klein, M.; Dieringa, H.; Walther, F.
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Electrochemical-controlled characterization of the corrosion fatigue behavior of creep-resistant magnesium alloys DieMag422 and AE42. Procedia Engineering 160 (2016) 158-166
Klein, M.; Walther, F.
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Corrosion fatigue assessment of creep-resistant magnesium alloys DieMag422 and AE42 using electrochemical responses. LightMAT 2017, Proc. of the 2nd Int. Conference on Light Materials – Science and Technology (2017) 1-2
Klein, M.; Frieling, G.; Walther, F.
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Corrosion fatigue assessment of creep-resistant magnesium alloys DieMag422 and AE42. Engineering Fracture Mechanics 185 (2017) 33-45
Klein, M.; Frieling, G.; Walther, F.
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Corrosion fatigue cracking assessment of creep-resistant magnesium alloys using corrosion potential responses. Corrosion 2017, Conference & Expo, Research in Progress Symposium (2017) 125-129
Klein, M.; Frieling, G.; Walther, F.
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Electrochemical- and microstructure-correlated characterisation of the corrosion fatigue behaviour of creep-resistant magnesium alloys DieMag422 and AE42. LCF 8, Proc. of the 8th Int. Conference on Low Cycle Fatigue, Ed.: T. Beck, E. Charkaluk, ISBN 978-3-9814516-5-8 (2017) 197-202
Klein, M.; Walther, F.
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Microstructure-based assessment of the corrosion fatigue behavior of the creep-resistant DieMag422 and AE42 magnesium alloys. Solid State Phenomena 258 (2017) 530-533
Klein, M.; Buhr, P.; Walther, F.
