Experimentelle Untersuchung zum Einfluss des Ausscheidungszustands der Matrix auf die Verformungslokalisierung und Schädigungsinitiierung im System AI/0-20 Vol-% AI2O3

• Antragsteller: Dr. Gottfried Fischer
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2005 bis 2007
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5450220

• Erstellungsjahr: 2008

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen dieses Projekts wurden zwei Arten der Konzentration der Verformung untersucht, die sich bei zunehmender Belastung ausbilden und den Versagensprozess des Werkstoffs stark beeinflussen können: Die Verformungskonzentration in ortsfesten Scherbändern und in propagierenden PLC-Bändern. Um zu betonen, dass es sich hierbei um einen Prozess handelt, der mit einem stark lokalisierten Verformungsanstieg verbunden ist, wird nachfolgend stets der Begriff Verformungslokalisierung anstelle von Verformungskonzentration verwendet. Gegenstand der Untersuchung sind Al-Legierungen mit und ohne verstärkende Partikel, in denen beide Varianten der Verformungslokalisierung - zwar unterschiedlich ausgeprägt -nebeneinander auftreten. Deshalb war es sinnvoll, beide Prozesse trotz ihrer unterschiedlichen Ursachen in einem Projekt experimentell zu untersuchen. Parallel dazu wurden an der MPA der Universität Stuttgart Simulationsrechnungen bezüglich der ortsfesten Scherbänder durchgeführt. Die Simulation der Verformungslokalisierung in PLC-Bändern erfolgte in Kooperation mit Herrn Prof. Svendsen vom Lehrstuhl für Mechanik der TU Dortmund im Rahmen einer gemeinsam betreuten Dissertation. Als Voraussetzung für die experimentellen Arbeiten mussten zunächst methodische Weiterentwicklungen realisiert werden: So wurde der für Bildpaare und Bildserien eingesetzte Grauwertkorrelationsalgorithmus dahingehend erweitert, dass die Auswertung mehrphasiger Gefüge phasenspezifisch erfolgen kann. Das im Verlauf des Projekts verbesserte zweite Programm, mit dem eine Vielzahl mit hoher Vergrößerung aufgenommener, überlappender Einzelbilder und durch Grauwertkorrelation errechneter Einzelverformungsfelder zusammengefügt werden können, ermöglicht ein stärker skalenübergreifende Analyse der Verformung als bisher. Für die Auswertung der umfangreichen Bildserien, die sich bei Einsatz der Hochgeschwindigkeits- Infrarotkamera ergeben, wurde Software entwickelt, mit der die PLC-Bandbildung und - ausbreitung visualisiert und die Bandgeschwindigkeit, die Bandbreite und der Dehnungssprung im Band erstmalig auf diese Weise gemessen werden können. Die Analyse der ortsfesten Scherbänder in MMCs ergab in Experiment und Simulation übereinstimmend, dass bereits bei geringer mittlerer Verformung anhand von Verformungsmaxima erkennbar ist, in welchen Gefügebereichen die Verformungslokalisierung einsetzen wird, dass die Dehnung in diesen Bereichen stetig anwächst und keine neuen Zentren erhöhter Dehnung hinzukommen. Im Experiment ist im Verlauf der Probenbelastung allerdings eine Schwerpunktverlagerung zu beobachten, die durch die lokale Initiierung von Schädigungen verursacht und durch die Simulation nicht vorhergesagt wird. Die Schädigungsentwicklung wird - bei übereinstimmenden Lösungsglühbedingungen (30 min bei 530 °C) - stark vom anschließenden Tempern beeinflusst. Nach einer Temperung über 8 h bei 160 °C öffnen sich vorhandene Risse in den Partikeln und an den Partikel-Matrix- Phasengrenzen und es entstehen neue Risse in den Partikeln, die gut in die Matrix eingebunden sind. Durch ein Tempern über 100 h bei 260 °C verringert sich die Tendenz zur Partikelrissbildung deutlich. Das Material reagiert in diesem Fall auf die äußere Belastung durch ein Fließen an den Phasengrenzen, was zu Materialtrennungen führen kann, sowie durch ein Fließen in solchen Bereiche, die schon im Ausgangszustand vorgeschädigt waren (Partikelrisse, Partikel-Matrix-Trennungen). Bei der Analyse der propagierenden PLC-Bänder wurde der Vergleich zwischen den Ergebnissen von Experiment und Simulationsrechnung sowohl qualitativ (Bandmorphologie und -Ausbreitungsverhalten anhand der Temperatur- und Dehnratefelder) als auch quantitativ durchgeführt. In den quantitativen Vergleich waren einbezogen: Die Dehnungs-Zeit- und Spannungs-Probenverlängerungs-Kurven, der Bandwinkel, die Abhängigkeit des Dehnungsinkrements von der globalen Dehnung, der kritischen Dehnung von der globalen Dehnrate sowie der Bandgeschwindigkeit von den beiden zuletzt genannten Einflussgrößen. Diese Vergleiche ergaben in vielen Fällen eine gute Übereinstimmung. Es zeigten sich aber auch Differenzen, aus denen zu schließen ist, dass die Realität noch unzureichend in den Simulationen abgebildet wird. Bei den Arbeiten zur Verformungslokalisierung sowohl in PLC- als auch in Scherbändern wurde des Weiteren deutlich, wie durch verbesserte Methoden (Temperatur-, Orts- und Zeitauflösung) und Experimente, die besser auf die Belange der Simulation abgestimmt sind (alternative Verfahren der Ermittlung von Materialkennwerten für die Simulation), sowie durch die Weiterentwicklung der vorhandenen Modellansätze und Simulationswerkzeuge eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation erreicht werden kann. Die im Hinblick auf notwendige und mögliche Verbesserungen der eingesetzten Mess-, Auswerte- und Simulationsmethoden gewonnenen Erkenntnisse sollen in Nachfolgeprojekten umgesetzt und für die Fortführung der Arbeiten genutzt werden, um die experimentellen Befunde noch exakter in der Simulation nachbilden zu können. Beispiele hierfür sind: • Optimierung der Überführung der experimentellen Daten in geometrische Modelle für die Simulation unter Berücksichtigung der Phasenzusammensetzung und der bereits im Ausgangszustand vorhandenen Schädigungen. • Der Übergang zur 3-dimensionalen Verformungsanalysen im Volumen unter Verwendung von Tomogrammen, wo dies aufgrund des Werkstoffgefüges möglich ist. • Die Übertragung der in diesem Projekt vorgenommenen phasenspezifischen Erweiterung des 2D-Grauwertkorrelationsalgorithmus auf den 3D-Fall. • Die Erhöhung der Temperaturauflösung der Infrarotkamera durch Kalibrierung mit einem Schwarzkörperstrahler • Die Steigerung der Orts- und Zeitauflösung bei der Messung von Dehnungs- und Dehnratefeldern durch den Einsatz einer Hochgeschwindigkeits-CMOS-Kamera

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Experimentelle Untersuchung des inhomogenen Verformungsverhaltens bei Scher- und PLC-Bandbildung, Dissertation, TU Dortmund, Fakultät Maschinenbau, 2005
  A. Ognjenovic
  
• Thermographische Analyse lokaler Verformungs- und Schädigungsprozesse, Thermographie-Kolloquium 2005, BB 98-CD, 22. September 2005, Stuttgart, Beitrag 12
  H.-A. Crostack, A. Ognjenovic, X. Feng, G. Fischer
  
• Experimental and theoretical investigation of PLC deformation bands, GAMM 6 (2006),1,435-436, Annual Meeting Berlin, 2006, March 27th ¿ 31
  H.-A. Crostack, X. Feng, G. Fischer, B. Svendsen
  
• Kinematics fields and spatial activity of Portevin¿Le Chatelier bands using the digital image correlation method, Scr. Metall. 54 (2006), p. 4365-4371
  H. Ait-Amokhtar; P. Vacher; S. Boudrahem
  
• Experiment and simulation of the nucleation and propagation of Portevin-Le Chatelier deformation bands, Proceedings of IMPLAST'07, 2007, 385-395
  X. Feng, H. A. Crostack, G. Fischer, B. Svendsen
  
• Experiment and simulation of the nucleation and propagation of Portevin-Le Châtelier deformation bands, Proceedings of AES - ATEMA' 2007 - International Conference on Advances and Trends in Engineering Materials and their Applications, 2007
  H.-A. Crostack, X. Feng, G. Fischer, R. Zielke, B. Svendsen
  
• Experimental investigation of the nucleation and propagation of Portevin-Le Châtelier deformation bands by infrared camera, Euromat 2007, 12.09.2007, Symposium D22
  G. Fischer, H. A. Crostack, X. Feng, R. Zielke
  
• Thermographische Analyse des Portevin-Le Châtelier (PLC)-Effekts, Werkstoffprüfung 2007, Konstruktion, Qualitätssicherung und Schadensanalyse, 29.-30. November 2007, Neu-Ulm, Seite 179-184, ISBN 978-3-514- 00753-6.
  R. Zielke, H.-A. Crostack, G. Fischer, X. Feng
  
• 2D- und 3D-Analyse belastungsbedingter Gefügeveränderungen in partikelverstärkten MMCs, als Vortrag angenommener Beitrag zur Metallographie-Tagung vom 17. bis 19. September 2008 in Jena
  H.-A. Crostack, J. Nellesen, X. Feng, G. Fischer
  
• Deformation and damage in Al based composites. FE simulations and experiments, als Vortrag angenommener Beitrag zur International Conference on Aluminium Alloys ICAA 11 vom 22. bis 25. September 2008 in Aachen
  E. Soppa, M. Seidenfuß, G. Fischer, G. Wackenhut, H. Diem
  
• The effect of thermomechanical coupling on the nucleation and propagation of Portevin-Le Châtelier deformation bands, als Vortrag angenommener Beitrag zur International Conference on Aluminium Alloys ICAA 11 vom 22. bis 25. September 2008 in Aachen
  H. A. Crostack, X. Feng, G. Fischer, R. Zielke, B. Svendsen
  
• Thermographic study of nucleation and propagation of Portevin-Le Châtelier bands, QUIRT Juli 2008, Krakau
  H.-A Crostack , R. Zielke, X. Feng , G. Fischer