Innere Spannungen innovativer, gegossener Metall-Matrix-Verbunde
Glass, Ceramics and Derived Composites
Final Report Abstract
Langfaserverstärkte Verbundwerkstoffe weisen hervorragende mechanische Eigenschaften auf und versprechen ein breites Leistungspotential. Der Serienanwendung stehen jedoch noch viele offene Fragestellungen in Bezug auf Prozessstabilität und Verfügbarkeit geeigneter Fasern entgegen. Dieses Projekt zielte auf die Erarbeitung der Wirkmechanismen des Herstellungsprozesses auf die Materialeigenschaften von Metall- Matrix-Verbundwerkstoffen ab. Der Schwerpunkt lag auf einer Beschreibung und Modellierung der Ausprägung der Eigenspannungen. Zudem wurde der Zusammenhang der Prozessparameter und der mechanischen Eigenschaften untersucht. Diesem Vorhaben standen einige schwierige und unglückliche Umstände entgegen, die vor Projektbeginn nicht abzusehen waren. Die im vorangehenden Projekt verwendete ALTEX Faser war hervorragend für Metall-Matrix Verbunde geeignet. Allerdings war dieser Fasertyp nicht mehr verfügbar, weshalb, nach einer Prüfung unterschiedlicher Fasertypen, NEXTEL 610 ausgewählt wurde. Diese ist aufgrund des geringeren Durchmessers wesentlich schlechter zu infiltrieren. Weiterhin stellte sich heraus, dass der Faserquerschnitt in den einzelnen Chargen und Typen der Nextel 610 Garnfeinheiten unterschiedlich ist. Für die Probenherstellung musste daher vorab zusätzlich eine neue zwei-Kammer Differenzdruckgießaggregat entwickelt werden, um die NEXTEL Fasern überhaupt infiltrieren zu können. Für die Bestimmung der Werkstoff-Prozess-Korrelation eigneten sich Zugproben vom Typ DIN 50125 – C 6 x 30, die Eigenspannungsmessungen wurden an lokal verstärkten Plattenproben durchgeführt. Die Proben zeigten generell eine lokale Verstärkung mit hohem Faservolumengehalt umgeben von unverstärkten Bereichen. Unabhängig vom Fasertyp und -anteil lies sich mit den neuen Fasern keine homogene Faserverteilung über den Querschnitt einstellen. Nach der Durchführung der sehr vielversprechenden Vorversuche war geplant, die aufwändigen Eigenspannungsmessungen nach der Bohrlochmethode durch Röntgendiffraktometrie zu ersetzten, um bspw. auch großflächige Messungen durchführen zu können. Es stellte sich jedoch heraus, dass Oberflächeneffekte zu unrealistischen Ergebnissen führten. Auch nach lokalem Abtragen wurden teils unlogische Ergebnisse gemessen, was auf zu große Körner zurückzuführen war. Daher wurde die Simulationsmethodik im Rahmen des Projektes soweit entwickelt, dass diese zur zuverlässigen Prognose der Eigenspannungen, auch in Wechselwirkung mit Defekten, geeignet ist. Ziel der durchgeführten Simulationsarbeiten war es, die durch den Werkstoffverbund entstehenden Eigenspannungen auf mikroskopischer Ebene zu modellieren und auf die Makroebene zu übertragen. Zu diesem Zwecke wurden Makro- und Mikroebene in einem integrativen elastisch-plastischen Ansatz verknüpft und die Ergebnisse mit Eigenspannungsmessungen vor und nach der Wärmebehandlung verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass die in den vorliegenden Proben röntgendiffraktometrisch ermittelten Eigenspannungen zu teils unrealistischen Ergebnissen führten, wohingegen eine sehr gute qualitative und auch quantitative Übereinstimmung der durchgeführten Referenzsimulationen mit Messungen nach der Bohrlochmethode erzielt wurde. Die Simulationen zeigen, dass sowohl in der Matrix als auch in den Fasern die Fließspannung während der Erstarrung erreicht wird, und es zu plastischen Formänderungen kommt. Ausgehend von diesen Referenzsimulationen wurden Faseranteil und Faserverteilung variiert und Defektstrukturen wie Lunker eingebracht, um deren Einfluss auf die Eigenspannungsverteilung zu untersuchen. Inhomogene Spannungsverteilungen im faserverstärkten Bereich pflanzten sich über die Grenzfläche bis in den Matrix-Bereich fort, d.h. von den lokalen Defektstrukturen geht eine deutliche Fernwirkung aus. Die durchgeführten Experimente und anschließende Korrelationen zeigten, dass der Einfluss der Prozessparameter auf die Eigenspannungen und Eigenschaften aufgrund der technischen Limitationen nur sehr eingeschränkt bewertbar ist. Weiterhin überlagern statistisch verteilte Infiltrationsdefekte den Einfluss der erwarteten Werkstoff- und Prozessparameter erheblich, so dass im Rahmen einer statistischen Bewertung nur wenig direkte Zusammenhänge ableitbar waren. Deutlich messbar war die Mindestanforderung, dass erwartungsgemäß mit steigendem Faseranteil die mechanischen Eigenschaften steigen. Der prozessbedingte Gießdruck führt zu einem lokalen Verdichten der Filamente während der Formfüllung, was der Infiltration entgegen wirkt. Die neu entwickelte Gießtechnik ermöglicht trotzdem größtenteils eine Infiltration dieser lokal hoch verdichteten Bereiche. Die Einschränkungen der Messmethodik zur Ermittlung der Eigenspannungen konnte durch die erfolgreiche Entwicklung von integrativen thermomechanischen Simulationsansätzen für diese Verbundwerkstoffe kompensiert werden, so dass mit deren Hilfe dennoch der Einfluss von Variationen auf die Eigenspannungsentstehung gezeigt werden konnte. Trotz der vor Projektbeginn nicht absehbaren Entwicklungen, konnten die folgenden Erkenntnisse aus dem durchgeführten Projekt abgeleitet werden: im Metall-Faserverbund wird lokal die Fließgrenze erreicht und es tritt plastisches Fließen auf; es bilden sich am Tripelpunkt Metall-Faserbund / Matrix / Form Spannungsspitzen aus, die Warm- bzw. Kaltrisse provozieren; inhomogene Spannungsverteilungen im Metall-Faserverbund haben eine Fernwirkung auf die Matrix.
Publications
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„Makroskopische Eigenspannungen in einem selektiv langfaserverstärkten Aluminiumbauteil (Macroscopic residual stresses in selectively long fiber reinforced aluminum parts)“, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 39, 2008, Heft 8, S. 545-550 (ISSN 0933-5137)
Sun, S.; Dahmen, C.; Lao, B.; Bührig-Polaczek, A.
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„Simulation of residual stresses in fibre-reinforced metal-matrix composites“, Int. PhD Foundry Conference (Brno University of Technology) Czech Foundrymen Society – CFS, Juni 2009, ISBN 978-80-214-3871-2
Wüller, E.; Bührig-Polaczek, A.
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“Enhanced production method for fibre reinforced Aluminium Matrix Composites” Int. Conference Materials Science Engineering (DGM), August 2010, Darmstadt, Deutschland
Wüller, E.; Burbach, T.; Bührig-Polaczek, A.
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„Prozessbedingte Eigenschaften von im Gas-Differenzdruckverfahren mit dynamischer Druckkontrolle hergestellten langfaserverstärkten AMCs“, DGM 18. Symposium Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, Band 41, März 2011, ISBN 978-30-003-3801-4
Middelmann,O.; Burbach, T.; Wüller, E.; Bührig-Polaczek, A.
