Schädigungsentwicklung bei der Korrosionsermüdung von Aluminiumbasislegierungen mit definierten fertigungsbedingten Randschichten
Final Report Abstract
Es fanden Untersuchungen zur Schädigungsentwicklung bei der Ermüdung von Aluminiumbasislegierungen mit fertigungsbedingten definierten Randschichten statt. Besonderes Interesse galt dabei dem Aspekt der Korrosion. Dazu wurden systematisch Experimente in Laboratmosphäre, im Salzsprühnebel und in Salzlösung durchgeführt. Als Probenmaterial standen die Knetlegierungen AlZn4,5Mg1 und AlMgSi0,5 sowie die Gusslegierung G-AlSi9Cu3 zur Verfügung. Die dazu notwendigen Flach- und Rundproben wurden gefräst und gedreht und somit erhält man definierte Randschichten, die mittels zerspanender Fertigungsverfahren entstehen. Interessant sind weiterhin die Rohzustände der Halbzeuge. Zur Verfestigung der Randschichten wurden die mechanischen Oberflächenbehandlungsverfahren Festwalzen und Kugelstrahlen gewählt. In allen Fällen wurden die resultierenden randnahen Werkstoffzustände im Ausgangszustand und nach bestimmten Stadien der Ermüdungsbeanspruchung metallographisch, durch Härtemessungen sowie durch Tiefenverläufe der Eigenspannungen und Interferenzlinienhalbwertsbreiten charakterisiert. Grundsätzlich konnte für die Knetlegierungen gezeigt werden, dass die an Laborluft auftretende Steigerung von Festigkeit und Lebensdauer durch mechanische Oberflächenbehandlungen auch in korrosiven Medien auftritt. Dies gilt für die im Sandgussverfahren hergestellte Gusslegierung nur eingeschränkt, weil hier das Ermüdungsverhalten durch große Lunker geprägt ist. Detaillierte Untersuchungen des elektrochemischen Verhaltens ergaben, dass neben dem Oberflächenzustand auch die jeweiligen Legierungselemente von Bedeutung sind. Durch elektrochemische Analysen während der Ermüdungsbeanspruchung konnte die Wechselwirkung zwischen mechanischer und korrosiver Schädigung analysiert werden. Wie zu erwarten war, zeigten die verfestigten Randschichten Druckeigenspannungen und erhöhte Randschichthärten. Die Oberflächenrauheit ist nach dem Festwalzen geringer als nach dem Drehen. Kugelgestrahlte Oberflächen hingegen sind immer rauer gegenüber dem gedrehten Ausgangszustand. Zudem erfolgten umfangreiche elektrochemische Experimente in einer Salzlösung, um den Einfluss der Oberflächenbehandlungsverfahren auf das Korrosionsverhalten abzuschätzen. Verwendet wurden die Messmethoden Freies Korrosionspotenzial, Elektrochemisches Rauschen, Potentiodynamische Stromdichtemessung und die Elektrochemische Impedanzspektroskopie. Es konnte gezeigt werden, dass die mechanischen Oberflächenbehandlungen durchaus Einfluss auf die Bildung von Lokalelementen haben. Diese Rückschlüsse können aufgrund der elektrochemischen Aktivität und der Quantifizierung von charakteristischen Potenzialen gezogen werden, allerdings sind diese nicht zu verallgemeinern. Die Untersuchungen haben ergeben, dass dabei ebenso die Legierungselemente hinsichtlich ihrer edlen bzw. unedlen Eigenschaft eine wesentliche Rolle spielen. Hinzu kommt die Qualität der Mikrostruktur in der Randschicht. Damit ist eine Vielzahl von Parametern gegeben, die eine generelle Vorhersage des Korrosionsverhaltens erschweren. Die Dauerschwingversuche haben ergeben, dass die Zeitfestigkeitsgeraden mit Zunahme der Verfestigung insbesondere bei den Knetlegierungen zu höheren Lebensdauern hin verschoben sind. Diese positive Eigenschaft bleibt auch bei der Ermüdung unter den Bedingungen der Korrosion im Salzsprühnebel bestehen. Insbesondere die Auswertung der Anrisslastspielzahlen der Flachbiegeversuche zeigt, dass die Anrisse wesentlich später beginnen und der Rissfortschritt durch den verfestigten Bereich stark gehemmt wird, was sich an der Differenz der Lastspiele von Rissbeginn bis zum Probenbruch festmachen lässt. Im Prinzip gilt dies auch für die Gusslegierung G-AlSi9Cu3. Die hier untersuchten Proben wurden allerdings im Sandgussverfahren hergestellt und entsprechend viele Lunker ließen sich in der Mikrostruktur finden. Ihre nicht unerhebliche Größe und auch die Positionen in Randschichtnähe übten einen signifikanten negativen Einfluss auf Rissbeginn und Rissfortschritt aus und minderten beträchtlich die Wirkung der Verfestigung. Um zusätzliche Informationen zur Schädigungsentwicklung zu erhalten, wurden die Torsionsfederwellen der Flachbiege- und Torsionsmaschinen mit DMS und der Antriebsmotor mit einer Lichtschranke bestückt. Diese Signale werden genutzt, um eine Hüllkurve zu erhalten, welche aus Lastwechselzahl und Randspannungsamplitude gebildet wird und aus deren Verlauf man den makroskopischen Rissbeginn, aber auch ver- oder entfestigendes Materialverhalten interpretieren kann. In analoger Weise wurde auch bei den Umlaufbiegeversuchen verfahren. Ein exakter Zeitpunkt für den makroskopischen Rissbeginn kann allerdings aus der Analyse der Kurven nicht ohne weiteres ausgemacht werden, weil eine anrissfreie Wechselentfestigung nicht von Rissöffnungseffekten getrennt werden kann. Daher sind weiterführende metallographische Untersuchungen sinnvoll. Bei der Knetlegierung AlMgSi0,5 zeigten die Umlaufbiegeproben mit gedrehter und gewalzter Randschicht anfänglich ein verfestigendes Materialverhalten. Ein solches Verhalten konnte bei der Gusslegierung G-AlSi9Cu3 nur bei der kugelgestrahlten Randschicht, und das weniger ausgeprägt, beobachtet werden. Während einiger Dauerschwingversuche waren die Prüfmaschinen mit elektrochemischem Messequipment bestückt. Gemessen wurden unter anderem das Freie Korrosionspotenzial und das Elektrochemische Rauschen. Aus den Ergebnissen kann gefolgert werden, dass die korrosive Aktivität mit zunehmender mechanischer Belastung zunimmt. Dies trifft für alle Randschichtvarianten zu, wobei die Höhe der Totalspannungen, zusammengesetzt aus den Eigenspannungen und den Lastspannungen, hierbei entscheidend sind. Hier wirken sich vorhandene Druckeigenspannungen demgemäß ebenfalls positiv aus. Die Ergebnisse aus den elektrochemischen Messungen im Salzsprühnebel sind schwer zu interpretieren, da der Rissbeginn nicht unmittelbar unter der Haber-Luggin-Kapillare starten muss. Die bisher durchgeführten Versuche zeigen aber, dass die mechanische Belastung durchaus Einfluss auf die anodische Metallauflösung ausübt. Um diese Effekte besser zu verstehen, wäre es hilfreich, Versuche in wässriger Lösung durchzuführen, weil hier der Ionentausch an der Haber-Luggin-Kapillare deutlich intensiver ist, als bei einem in dieser Arbeit verwendeten Glasvlies. Das Glasvlies wird auch dann problematisch, wenn es bei längerer Versuchsdauer, also bei kleinen Spannungsamplituden, vollgesogen auf der Probe liegt. Die Oberfläche war bereits augenscheinlich deutlicher angegriffen, als die ausschließlich vom Salzsprühnebel beanspruchte Seite. Hohe Spannungsamplituden haben bekanntlich kurze Lebensdauern zur Folge. Die korrosive Belastung ist hier also von zeitlich geringerer Dauer. Systematische Untersuchungen mit konstanten Lasten in wässriger Lösung, also unter den Bedingungen der Spannungsrisskorrosion (SpRK), wären hier eine sinnvolle Ergänzung. Zudem könnte man die Möglichkeiten des rechnergesteuerten Potentiostaten dahingehend nutzen, einige elektrochemische Messreihen seriell zu fahren. Beispielsweise kann man im Null-Widerstand-Modus gleichzeitig das Strom- und das Spannungsrauschen beobachten und aufnehmen. Die Zeitverläufe des mittleren Strom- und Spannungsflusses können dann ebenfalls ausgewertet werden. Als anschließende Messmethode wäre die Elektrochemische Impedanz-Spektroskopie (EIS) interessant. Hiermit können der Durchtrittswiderstand und die Doppelschichtkapazität bestimmt werden, die sich, wie Vorversuche gezeigt haben, mit der Dauer der korrosiven Belastung ändern. Derartige SpRK-Versuche wären eine sinnvolle Erweiterung zu den bisher durchgeführten Untersuchungen.
Publications
- Corrosion Fatigue of Al-alloy AA7020 in Different Surface Treatment States. Proceedings ICSP10; K. Tosha, Editor; Tokyo, 2008; S. 363- 368
K. Timmermann, W. Zinn, B. Scholtes
- Effect of Shot Peening Treatments on Corrosion Fatigue of Cast or Wrought Al-Base Alloys. In: Shot Peening 2011 Conference Proceedings; J. Champaigne, Editor; ISBN 978-0-615-49723-5; South Bend, 2011; S. 267-272
K. Timmermann, W. Zinn, B. Scholtes
- Schädigungsentwicklung bei der Korrosionsermüdung von Aluminiumbasislegierungen mit definierten fertigungsbedingten Randschichten. Dissertation; Universität Kassel, März 2011
K. Timmermann
