Mechanismen der Verstärkung und der Schädigung in drei- und vier-phasigen Aluminium Matrix Kompositen
Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das globale Ziel des Projekts war, die Verstärkungs- und Schädigungsmechanismen in drei- und vierphasigen Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffen zu verstehen. Zu diesem Zweck wurden zwei Arten von Verbundwerkstoffen auf der Basis einer nah-eutektischen AlSi12CuMgNi-Matrixlegierung untersucht: erstens mit einer einzigen Keramikverstärkung (random-planar orientierte Al2O3-Fasern) und zweitens mit einer hybriden Keramikverstärkung (Fasern und SiC-Partikel). Die Untersuchung der unverstärkten Matrix-Legierung zeigte die Hauptrolle der intermetallischen (aus Legierungselementen gebildeten) Phasen (IM) für die mechanischen Eigenschaften und das mikromechanische Verhalten des Materials unter Belastung. Zusammen mit Ausscheidungen des Si Eutektikums bilden die IM-Phasen ein 3D-Verbindungsnetzwerk, das als steifes Skelett in der duktilen Al-Matrix eingebettet ist. Bei Druckversuchen tragen sowohl Si als auch IMs einen bedeutenden Teil der Belastung (wie durch In-situ-Neutronenbeugung, ND, gezeigt), die von der plastisch verformten Al- Matrix übertragen wird. Das Vorhandensein der IM-Teilchen (als zweite Verstärkung) führt zu einer signifikanten Erhöhung der Druckfestigkeit der AlSi12CuMgNi-Legierung im Vergleich z.B. zu AlSi12-. Basierend auf diesen Ergebnissen war es notwendig, die Rolle der IMs in beiden Verbundwerkstoffen zu berücksichtigen, wodurch sie vier- bzw. fünfphasig (statt drei- und vier-phasig) genannt wurden. Es ist bekannt, dass während der Herstellung (z.B. beim Gießen) die Fehlanpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Matrix- und Verstärkungsphasen Mikro-Eigenspannung (m-RS) verursacht, die eng mit der Bruchinitiierung zusammenhängt. Der Eigenspannungszustand in den gegossenen Verbundwerkstoffen wurde mittels ND untersucht. Entgegen der allgemeinen Auffassung wurde festgestellt, dass zufällig orientierte eutektische Si- und SiC-Teilchen eine deviatorische RS aufweisen. Um dieses Verhalten zu rationalisieren, wurde ein neuartiger analytischer Ansatz auf der Grundlage des Maxwell-Schemas entwickelt, der es erlaubt, die Wechselwirkung zwischen den Verstärkungsphasen zu berücksichtigen. Tatsächlich erklärt die Wechselwirkung zwischen Partikeln und Fasern (die eine bevorzugte Orientierung haben und daher eine große deviatorische Spannung besitzen) die Bildung von deviatorischen RS auch in zufällig orientierten Phasen. Die grundlegende Untersuchung der mechanischen Eigenschaften und des mikromechanischen Verhaltens der Verbundwerkstoffe unter äußerer Last wurde durch die Kombination von mechanischen Tests, Röntgen-Computertomographie und in-situ ND durchgeführt. Ein weiteres mikromechanisches Modell wurde entwickelt, das ebenfalls auf dem Maxwell-schema basiert. Es wurde festgestellt, dass die Zugabe einer zweiten Keramikverstärkung (SiC-Partikel) die Festigkeit des Verbundwerkstoffs erhöht und die Anisotropie der mechanischen Eigenschaften verringert. Außerdem wird der Hybridverbundwerkstoff mit der zur Belastungsachse senkrecht zur Faserebene bei geringer plastischer Verformung nur geringfügig beschädigt, obwohl er bei hoher Dehnung ein katastrophales Versagen erleidet. Bei beiden Materialien spielt die IM-Phase eine wichtige Verstärkungsrolle, insbesondere bei hohen Dehnungen, wenn alle Phasen stark beschädigt sind. Interessanterweise breiten sich die in allen Verstärkungsphasen beobachteten Risse nicht in die Al-Matrix aus (auch nicht beim Versagen). Das entwickelte Modell ermöglichte das Verständnis dieses Phänomen: die Al-Matrix bleibt in allen Richtungen unter Druck. Ein solches Verhalten wurde bisher weder gezeigt noch erklärt. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass die Lösungsglühbehandlung (ST) zur Sphäroidisierung der Si- Partikel und damit zur Auflösung des 3D-Netzwerks führt. Dies, so die Hypothese des Projektes, muss zu einer Festigkeitsreduktion und einer globalen Veränderung der Lastverteilungsmechanismen führen. Die in-situ ND-Druckversuche ergaben jedoch nur eine leichte Abnahme der Tragfähigkeit der Si-Phase für beide Verbundwerkstoffe und für die SiC-Phase im Hybridverbundwerkstoff im ST-Zustand. Die erhaltenen Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Zerfall des eutektischen Si-Netzwerks das einachsige Verhalten von Verbundwerkstoffen mit hohem Anteil an keramischen Verstärkungen nur geringfügig beeinflusst und beweisen die Wirksamkeit der Si-Phase für Anwendungen bei hohen Temperaturen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- The role of intermetallics in stress partitioning and damage evolution of AlSi12CuMgNi alloy, Materials Science and Engineering: A 736 (2018) 453-464
S. Evsevleev, T. Mishurova, S. Cabeza, R. Koos, I. Sevostianov, G. Garcés, G. Requena, R. Fernández, G. Bruno
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.08.070) - Maxwell scheme for internal stresses in multiphase composites, Mechanics of Materials 129 (2019) 320-331
I. Sevostianov, G. Bruno
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2018.12.005) - Micromechanical modeling of non-linear stressstrain behavior of polycrystalline microcracked materials under tension, Acta Materialia 164 (2019) 50-59
G. Bruno, M. Kachanov, I. Sevostianov, A. Shyam
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.10.024) - Advanced Deep Learning-Based 3D Microstructural Characterization of Multiphase Metal Matrix Composites, Advanced Engineering Materials 22(4) (2020) 1901197
S. Evsevleev, S. Paciornik, G. Bruno
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adem.201901197) - Explaining Deviatoric Residual Stresses in Aluminum Matrix Composites with Complex Microstructure, Metallurgical and Materials Transactions A 51(6) (2020) 3104-3113
S. Evsevleev, I. Sevostianov, T. Mishurova, M. Hofmann, G. Garcés, G. Bruno
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11661-020-05697-1) - Stress-induced damage evolution in cast AlSi12CuMgNi alloy with one- and two-ceramic reinforcements. Part II: effect of reinforcement orientation, Journal of Materials Science 55(3) (2020) 1049-1068
S. Evsevleev, S. Cabeza, T. Mishurova, G. Garcés, I. Sevostianov, G. Requena, M. Boin, M. Hofmann, G. Bruno
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s10853-019-04069-4)
