Mehraxiale Plastizität in texturierten Magnesiumstrukturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Otto Huber
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 438040004

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Magnesiumlegierungen (Mg) werden aufgrund ihrer hohen spezifischen statischen und zyklischen Festigkeiten, hohen Verfügbarkeit und wirtschaftlichen Herstellung immer wichtiger für Leichtbaustrukturen und einhergehende Material- und Energieeinsparungen. Allerdings hat die hexagonale Gitterstruktur ein komplexes Verformungsverhalten zur Folge. Neuere Studien zu texturierten Mg-Knetlegierungen unter statischen und zyklischen einaxialen Beanspruchungen zeigen, dass aufgrund der im Druckbereich auftretenden Gruppierung von Zwillingen stark lokalisierte Dehnungsfelder resultieren, die einen großen Einfluss auf das mechanische Verhalten haben. Im Rahmen des Vorhabens wurde ein phänomenologisches kontinuumsmechanisches 3D Stoffgesetz für das anisotrope und asymmetrische Fließverhalten entwickelt, das die starke Dehnungslokalisierung mittels der Finite Elemente Methode (FEM) abbilden kann. Zur Kalibrierung des elasto-plastischen Stoffgesetzes wurden quasi-statische Experimente für den zweiachsigen Zug- / Zug-, Druck- / Druck- und Zug- / Druckquadranten der Fließfläche mittels kreuzförmigen Flachproben und einer neuartigen Druckstütze sowie Schubproben entwickelt und durchgeführt. Es wurden die Zusammenhänge zwischen mikrostrukturellen Deformationsmechanismen und dem makroskopischen Fließverhalten von texturiertem Mg am Beispiel von gießgewalztem AZ31B unter ein- und mehraxialen Beanspruchungen durch mechanische Versuche und Mikrostrukturanalysen untersucht. Dazu wurden uniaxiale in-situ Druckversuche und Schubversuche im Rasterelektronenmikroskop (REM) realisiert. Die Mikrostruktur wurde mittels Transmissionselektronenmikroskop (TEM) von der Universität Salzburg und mittels "Electron BackScatter Diffraction" (EBSD) von der Hochschule Landshut hinsichtlich Initiierung, Wachstum und Verteilung von Zwillingen analysiert. Auf Basis dieser komplementären Untersuchungen wurde die gesamte Fließfläche für die gießgewalzte Mg-Knetlegierung AZ31B erstellt. Es wurde eine Materialroutine zur Abbildung des elasto-plastischen Stoffgesetzes für FEM-Simulationen entwickelt und in das frei verfügbare FEM-Programm CalculiX implementiert, um Spannungs- und Dehnungsfelder für monotone mehraxiale Beanspruchungen zu berechnen. Damit kann erstmals das 3D anisotrope und asymmetrische elasto-plastische Materialverhalten mit stark inhomogenen Dehnungsfeldern von Versuchsproben und Bauteilen aus AZ31B mit hoher Genauigkeit numerisch simuliert werden. Dies stellt eine wesentliche Basis für die Anwendung des am Kompetenzzentrums Leichtbau der Hochschule Landshut (LLK) entwickelten Ermüdungsmodells "Concept of Highly Strained Volume" zur Berechnung der Lebensdauer bei zyklischen mehraxialen Beanspruchungen dar.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A Novel Hot-Bent Uniaxial Test Sample to Characterise the Cyclic Material Behaviour of AZ31B Wrought Magnesium Structural Components, LCF9 Ninth International Conference on Low Cycle Fatigue, Berlin: DVM, 2022
  Nischler, A. & Huber, O.
  
• Entwicklung eines Materialmodells zur Simulation des inhomogenen 3D-Dehnungsfelds von texturierten Magnesium-Knetlegierungen mittels der FEM, in: 11. Landshuter Leichtbau-Colloquium. Leichtbau – Werkstoffe, Konstruktionen, Fertigungstechnologien, Landshut: LC-Verlag, 2023. ISBN 978-3-9818439-7-2
  Nischler, A. & Huber, O.
  
• In Situ Uniaxial Compression of Textured Magnesium AZ31B. Metals, 14(1), 20.
  Whitmore, Lawrence; Nischler, Anton; Saage, Holger & Huber, Otto
  
• In-situ Uniaxial Compression of Magnesium AZ31B, in: 5th Conference & Exhibition on Light Materials, Trondheim, 2023
  Whitmore, L., Nischler, A. & Huber, O.
  
• Preparation of magnesium AZ31B for electron backscatter diffraction (EBSD) analysis, in: 11. Landshuter Leichtbau-Colloquium. Leichtbau – Werkstoffe, Konstruktionen, Fertigungstechnologien, Landshut: LC-Verlag, 2023. ISBN 978-3- 9818439-7-2
  Whitmore, L., Nischler, A. & Huber, O.
  
• In Situ Pure Shear Tests on Textured Magnesium AZ31B Sheets. Metals, 14(4), 404.
  Whitmore, Lawrence; Nischler, Anton; Saage, Holger & Huber, Otto
  
• Modelling the Elasto-Plastic Material Behavior of Textured Hexagonal Close-Packed Metals. Advanced Structured Materials, 501-530. Springer Nature Switzerland.
  Nischler, Anton; Denk, Josef; Mader, Florian; Whitmore, Lawrence; Saage, Holger; Prahl, Ulrich & Huber, Otto