Thermische Ermüdung von Magnesiumbasislegierungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die innerhalb der ersten Bewilligungsphase erarbeiteten Befunde lassen sich wie folgt zusammenfassen und bewerten: Es wurde das Ermüdungsverhalten von zwei Magnesiumbasislegierungen unter thermischmechanischer out-of-phase Beanspruchung untersucht und diskutiert. Die hierzu durchgeführten Versuche wurden unter vollständiger Behinderung der thermischen Ausdehnung durchgeführt, sodass der von der Prüfmaschine aufgeprägte, mechanische Totaldehnungsbetrag der thermischen Dehnung der Probe entspricht. Die Temperaturschwingbreite der Versuche lag zwischen 150 und 240 °C, bei Untertemperaturen von -50 bzw. 50 °C. Als Versuchswerkstoffe dient zwei technisch interessante Magnesiumlegierungen mit ausgeprägt unterschiedlichen Eigenschaften. Dabei handelte es sich um die durch Warmwalzen stark texturierte KnetlegierungAZ31 und die Gusslegierung AZ91, mit einer fur die Verarbeitung im Vakuum-Druckguss typischen Mikrostruktur. Die Untersuchungen führten zu folgenden Ergebnissen: • Bereits die bei thermisch-mechanischer Ermüdungsbeanspruchung im ersten Lastwechsel auftretenden Nennspannungen weichen von den bei entsprechender Temperatur in quasi statischen Versuchen für die gleiche plastische Dehnung gemessenen Werten ab. Quasi statische, isotherme Belastung wird von Mechanismen bestimmt, die für bestimmte Temperaturbereiche und Verformungszustände charakteristisch sind. Demgegenüber verursachen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Verformungs-, Erholungs- und Rekristallisationsprozessen, die bei thermisch-mechanischer Ermüdungsbeanspruchung temperaturabhängig gestaffelt ablaufen, die beobachteten Abweichungen. • Die durch Zwillingsbildung verursachte Verformungsasymmetrie tritt an texturiertem AZ31 auch unter thermisch-mechanischer Ermüdungsbeanspruchung auf Bei Umkehr der Belastungsrichtung ist sie unter bestimmten Bedingungen weitgehend reversibel. Die Höhe der plastischen Verformung der a-Mischkristalle von AZ91 ist unter thermisch-mechanischer Ermüdungsbeanspruchung aufgrund der „abschirmenden" Wirkung der aluminiumübersättigten Komgrenzenphase geringer, als an AZ31. Deshalb werden an AZ91 nur relativ wenige Verformungszwillinge und kaum auf kristallographisches Gleiten zurückzuführende Ätzfiguren beobachtet. • Die thermisch-mechanische Ermüdungsbeanspruchung führt bereits bei Obertemperaturen von 100 °C zu Rekristallisationsvorgängen. An AZ31 betrifft die Rekristallisation bevorzugt verzwillingte Bereiche mit entsprechend hoher Versetzungsdichte, bei AZ91 rekristallisiert zunächst die aluminiumübersättigte Komgrenzenphase. • Bis zu einer Obertemperatur von 225 °C wird die Bildung von Ausscheidungen der y-Phase 49 (MgnAla) beobachtet. Bei geringeren Obertemperaturen beschränkt sich diese auf die Komgrenzen, bei höheren Temperaturen entstehen diskontinuierliche Ausscheidungen, entsprechend einer eutektoiden Reaktion. Obertemperaturen ab 250 °C führen bei AZ31 zu einer Auflösung etwa vorhandener Ausscheidungen, bei AZ91 darüber hinaus zu einer allmählichen Einformung der Mgi7Ali2-Phase des entarteten Eutektikums des Gussgefüges. Unter thermisch-mechanischer Ermüdungsbeanspruchung vollzieht sich die Rissbildung bei AZ31 bevorzugt im Bereich von Zwillingsbändem. Die Rissausbreitung erfolgt bis zu einer Obertemperatur von 225 °C vorwiegend normal spannungsgesteuert, quer zur Beanspruchungsrichtung. Aufgrund der Aktivität des pyramidalen c+a-Gleitsystems erfolgen Rissbildung und Rissausbreitung bei höherer Obertemperatur schubspannungsgesteuert in verzwillingten Bereichen, wobei die Risse unter einem Winkel von ca. 30° zur Belastungsrichtung auftreten. An AZ91 erfolgt die Rissbildung bei thermisch-mechanischer Ermüdung mit niedrigeren Obertemperaturen im Bereich von Spannungsüberhöhungen wie Drehriefen und oberfiächennahen Lunkem. Mikro stmkturell kurze Risse wachsen fast ausschließlich normal spannungsgesteuert, in den aluminiumübersättigten Komgrenzbereichen. Kurze Risse kommen bei dem Übergang auf die primär erstarrten Mg-Mischkristalle oftmals zum Stillstand, ansonsten erfolgt die Rissausbreitung gemischt. Generell vollzieht sich die Makrorissausbreitung an AZ91 mit höherer Geschwindigkeit, als an AZ31. Thermisch-mechanische Ermüdungsbeanspruchung mit Obertemperaturen ab 250 °C bewirkt eine nahezu gleichmäßig über die Probenmessstrecke verteilte Rissbildung an Lunkem und Mgi7Aii2- Ausscheidungen, die zu einer globalen Gefügeauflockerung führt. Die Makrorissausbreitung erfolgt dann unter Koaleszenz dieser Risse, überwiegend interkristallin. Unter quasi statischer Zug- bzw. Druckbelastung wird in Abhängigkeit von der Temperatur unterschiedliches Verformungsverhalten beobachtet: Die einem stark texturierten, gewalzten AZ31-Blech entnommenen Proben zeigen unter in Walzrichtung angreifender Druckbelastung die bekannte Zwillingsbildung. Bis zu einer Versuchstemperatur von 150 °C verzwillingen hierbei kollektiv mehrere benachbarte Kristallite, wobei diese Prozesse in den Nennspannung-Totaldehnung- bzw. Nennspannung-Zeit-Verläufen charakteristische Spanunngsschwankungen verursachen. Unter in Walzrichtung angreifender Zugbelastung erfolgt dagegen keine kollektive Zwillingsbildung, wodurch die 0,2 %-Dehngrenze im Temperaturbereich von -50 bis 50 °C den Betrag der 0,2 %-Quetschgrenze um mehr als 50 % übersteigt. Aufgrund verbesserter Möglichkeiten zu kristaliographischem Gleiten haben sich die Verformungs wider stände unter Zug- und Druckbeanspruchung bei einer Temperatur von 150 °C weitgehend angeglichen. Die gegossenen AZ91-Proben zeigen aufgrund der Richtungsabhängigkeit der Zwillingsbildung trotz ihrer statistisch regellosen Kristallorientierung ebenfalls richtungsabhängiges, quasi statisches Verformungsverhalten. Die Zwillingsbildung setzt bei 50 Raumtemperatur unter Zugbeanspruchung bei kleineren Nennspannungsbeträgen ein, als unter Druckbeanspruchung. Gleichzeitig treten unter Druckbeanspruchung höhere Anteile an Zwillingsverformung auf Bei höheren Totaldehnungsbeträgen wird das Verfestigungsverhalten aufgmnd der durch die Zwillingsbildung veränderten Mikrostruktur deutlich beeinflusst. Bei Temperaturen von etwa 200 °C liegen auch bei AZ91 nahezu identische Beträge der 0,2 %-Dehn- und 0,2 %-Quetschgrenze vor.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Formation of twins during thermal fatigue of Magnesium wrought alloy AZ31. Proceedings ATEM 07, K. Arakawa and Y. Morita edts., The Japan Society of Mechanical Engineers, No. 07-207, 7. Sept. 2007, CD-ROM
M. Krauß, B. Scholtes
- Zwillingsbildung bei der thermischen Ermüdung der Mg-Basislegierung AZ31. Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 38 (2007), S. 802-807
M. Krauß, B. Scholtes
- Formation of Twins During Thermal Fatigue of Magnesium Wrought Alloy AZ31. Journal of Solid Mechanics and Materials Engineering 2 (2008), S. 1126-1135
M. Krauß, B. Scholtes
- Thermal Fatigue of Mg-Base Alloy AZ91. Proceed. 6th Int. Conf on Low Cycle Fatigue, P. D. Portella, T. Beck and M. Okazaki edts., DVM (2008), S. 567-572
M. Krauß, B. Scholtes
- Zur Auswirkung der Zwillingsbildung bei wechselnder mechanischer und thermischer Beanspruchung der Mg-Knetlegierung AZ31. Proceed. 5. Ranshofener Leichtmetailtage, herausgeg. von U. Noster, F. Riemelmoser und P. J. Uggowitzer, LKR Verlag (2008), S. 49-60
M. Götting, M. Krauß, J. Gibmeier, B. Scholtes
- Zur thermischen Ermüdung der Magnesium-Basislegierung AZ91. Mat.-wiss. und Werkstofftechn. 39 (2008), S. 562-570
M. Krauß, B. Scholtes
