Safe and early evaluation of casting defects for optimal vibration resistant design
Third party funded individual grant
Start date : 01.02.2011
End date : 31.10.2014
Project details
Short description
Die Auslegung von sicherheitsrelevanten Gussteilen im Leichtbau erfordert eine Berücksichtigung der inhomogenen Werkstoffeigenschaften bereits in der Konstruktionsphase, was aktuell in der Praxis noch nicht vollzogen ist. Durch Kopplung der Prozesssimulation mit der Lebensdauerberechnung sollen eine frühe Bewertung fertigungsbedingter Fehler im Hinblick auf die Schwingfestigkeit erreicht werden und konstruktive Maßnahmen zur optimierten Auslegung abgeleitet werden. Am Beispiel des Kokillengussverfahrens von Aluminium wird diese virtuelle Prozesskette erarbeitet und validiert. Die Modellierung der Herstellung beschreibt detailliert die Entstehung fertigungstypischer Defekte und die Evaluierung der Eigenschaften wird experimentell an entsprechenden, gezielt eingestellten Werkstoffzuständen durchgeführt. Damit wird eine frühe und sichere Bewertung durch rechnerische Bestimmung der Schwingfestigkeit möglich, die an einem Demonstrator vollzogen und im Anschluss an Realbauteilen validiert wird.
Ziel dieses Projekts im Verbund:
Die einzelnen Prüfkörper und Bauteile werden nach der zerstörenden Prüfung fraktografisch untersucht. Durch Betrachtung der Bruchflächen wird versucht, auf den Bruch auslösenden Bestandteil des Gefüges zu schließen und diesen zu dokumentieren. Im Einzelnen soll untersucht werden:
- Art des bruchauslösenden Gefügemerkmals (Erstarrungspore, Gaspore oder Oxidfilm)
- Größe, Ausprägung und Lage im Probekörper
Die Untersuchungen erfolgen vor allem im Rasterelektronenmikroskop. In Werkstoffen mit hinreichend großen Defekten (wie Gussporen und Einschlüsse) werden diese zum Ort des kritischen Anrisses. Sie können im Allgemeinen gut auf den Bruchflächen an Hand der Bruchverlaufslinien nachgewiesen werden. Eine Ausnahme stellen aber Oxidfilme dar, die oft nicht oder nur unzureichend sichtbar gemacht werden können. Hier muss im vorliegenden Forschungsprojekt Neuland betreten werden. Als Lösungsweg bieten sich REM-FIB-Untersuchungen an.
An ausgewählten Proben werden metallografische Schliffe zur Dokumentation der Mikrostruktur (im Zusammenhang mit dem Bruch) und der Porosität erstellt. Die Ergebnisse werden entsprechend statistisch aufgearbeitet und mit den Ergebnissen der gerechneten Defektverteilung korreliert.
Zusätzlich soll der Einfluss der defektfreien Mikrostruktur, insbesondere des Eutektikums, auf die Schwingfestigkeit untersucht werden. Dabei steht im Vordergrund, die Rolle der Morphologie des interdendritischen Bereichs zu evaluieren.
Scientific Abstract
Die Auslegung von sicherheitsrelevanten Gussteilen im Leichtbau erfordert eine Berücksichtigung der inhomogenen Werkstoffeigenschaften bereits in der Konstruktionsphase, was aktuell in der Praxis noch nicht vollzogen ist. Durch Kopplung der Prozesssimulation mit der Lebensdauerberechnung sollen eine frühe Bewertung fertigungsbedingter Fehler im Hinblick auf die Schwingfestigkeit erreicht werden und konstruktive Maßnahmen zur optimierten Auslegung abgeleitet werden. Am Beispiel des Kokillengussverfahrens von Aluminium wird diese virtuelle Prozesskette erarbeitet und validiert. Die Modellierung der Herstellung beschreibt detailliert die Entstehung fertigungstypischer Defekte und die Evaluierung der Eigenschaften wird experimentell an entsprechenden, gezielt eingestellten Werkstoffzuständen durchgeführt. Damit wird eine frühe und sichere Bewertung durch rechnerische Bestimmung der Schwingfestigkeit möglich, die an einem Demonstrator vollzogen und im Anschluss an Realbauteilen validiert wird.
Ziel dieses Projekts im Verbund:
Die einzelnen Prüfkörper und Bauteile werden nach der zerstörenden Prüfung fraktografisch untersucht. Durch Betrachtung der Bruchflächen wird versucht, auf den Bruch auslösenden Bestandteil des Gefüges zu schließen und diesen zu dokumentieren. Im Einzelnen soll untersucht werden:
- Art des bruchauslösenden Gefügemerkmals (Erstarrungspore, Gaspore oder Oxidfilm)
- Größe, Ausprägung und Lage im Probekörper
Die Untersuchungen erfolgen vor allem im Rasterelektronenmikroskop. In Werkstoffen mit hinreichend großen Defekten (wie Gussporen und Einschlüsse) werden diese zum Ort des kritischen Anrisses. Sie können im Allgemeinen gut auf den Bruchflächen an Hand der Bruchverlaufslinien nachgewiesen werden. Eine Ausnahme stellen aber Oxidfilme dar, die oft nicht oder nur unzureichend sichtbar gemacht werden können. Hier muss im vorliegenden Forschungsprojekt Neuland betreten werden. Als Lösungsweg bieten sich REM-FIB-Untersuchungen an.
An ausgewählten Proben werden metallografische Schliffe zur Dokumentation der Mikrostruktur (im Zusammenhang mit dem Bruch) und der Porosität erstellt. Die Ergebnisse werden entsprechend statistisch aufgearbeitet und mit den Ergebnissen der gerechneten Defektverteilung korreliert.
Zusätzlich soll der Einfluss der defektfreien Mikrostruktur, insbesondere des Eutektikums, auf die Schwingfestigkeit untersucht werden. Dabei steht im Vordergrund, die Rolle der Morphologie des interdendritischen Bereichs zu evaluieren.
