Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Modellierung der Einflüsse von Mikrodefekten auf das Versagensverhalten von Al-Druckgusskomponenten mit stochastischem Aspekt für die Crashsimulation

Im vorangegangenen Projekt wurde eine Vorgehensweise zur stochastischen Modellierung der Einflüsse der Porenmorphologie auf das Versagensverhalten von Al-Guss entwickelt und damit wurden vielversprechende Ergebnisse erzielt. Das Ziel des Projekts ist die Erweiterung der vorhandenen stochastischen Methode um die Beschreibung der Einflüsse von Oxidhäuten, Einschlüssen und Kaltrissen auf das Bruchverhalten von Al-Guss-Bauteilen. Dafür werden Mikrodefekte durch neue Methoden der Röntgenprüftechnik (Mikro-CT) zur Erweiterung der stochastischen Simulationsmodelle genau analysiert. Die Formfüll- und Erstarrungssimulation wird um die Abschätzung von lokalen Ungänzengrößen erweitert. Ein Superpositionsansatz für die Wechselwirkung unterschiedlicher Klassen der örtlichen Verteilung von Ungänzen (Schrumpfungsporosität, Gasporosität, Oxide, Einschlüsse, u.a.) wird für stochastische Analyse entwickelt und das entsprechende Versagensmodell wird um die Berücksichtigung dieser Mikrodefekte erweitert. Streuungen von Bruchdehnungen werden durch den Einsatz des neuen Versagensmodells und der vom stochastischen Modell erzeugten Ungänzenverteilungen vorausberechnet. Bei der Charakterisierung und Modellierung der Einflüsse von Mikrodefekten wird der Spannungszustand systematisch variiert. Zusätzliche Komponentenversuche werden an vorhandenen Gussknoten und neu hergestellten Gussstufenplatten mit unterschiedlichen Mikrodefektverteilungen in verschieden Lastfällen durchgeführt. Die Übertragbarkeit des stochastischen Modells auf die Komponentensimulation wird validiert. Die angestrebten Ergebnisse beruhen auf einer Verknüpfung von fundierten Kenntnissen auf verschiedenen Gebieten wie Gießen, Metallkunde, CT-Analyse, Gießsimulation, Stochastik, Charakterisierung und Simulation komplexer Verformungs- und Bruchvorgänge. Die Beherrschung dieser Methoden wird die Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit von KMU bei der Entwicklung von maßgeschneiderten Leichtbau-Komponenten nachhaltig verbessern.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projekts wurde der Einfluss von Ungänzenverteilungen auf Verformung und Versagen einer Aluminium-Gusskomponente aus Castasil®-37 anhand von verschiedenen Proben mit großer Variation der Entnahmeposition unter statischer Belastung charakterisiert und simuliert. Bauteile mit einer komplexen Geometrie mit Wandstärken von 3-10 mm wurden gegossen und Gießsimulationen und CT-Untersuchungen durchgeführt. Proben wurden an ausgesuchten Stellen im Bauteil entnommen. Die Versuche zeigen, dass die Streubreite der Eigenschaften insbesondere des Versagensverhaltens über das Bauteilvolumen bedeutend ist. Zu den prozessbedingten Variationen (von Ort zu Ort) wurden auch stochastische Variationen (von Bauteil zu Bauteil) festgestellt. Die Mikrostruktur und die Bruchflächen von ausgewählten Proben wurden mit Metallographie, Fraktographie und CT-Untersuchungen analysiert. Ein direkter Zusammenhang zwischen Ungänzenverteilungen und mechanischen Eigenschaften wurde erfasst. An den Bruchflächen wurden drei Arten schädigungsrelevanter Ungänzen identifiziert: Gas-, Schrumpfungsporosität und Kaltfließstellen. Oft treten die Defekte in Kombination auf. Ein Superpositionsansatz für die Wechselwirkung unterschiedlicher Klassen von Ungänzen wurde für stochastische Analysen entwickelt. Ein Versagensmodell wurde um die Berücksichtigung der Einflüsse dieser Mikrodefekte erweitert. Streuungen von Bruchdehnungen wurden durch den Einsatz des neuen Versagensmodells und der Ungänzenverteilungen vorausberechnet. Die Übertragbarkeit des Modells wurde für verschiedene örtliche Auflösungen durch Komponententests und -simulationen validiert. Für ein Versagensmodell für Multi-Defekte scheint es, dass anstatt die einzelnen Defekttypen isoliert zu betrachten, ein Ansatz mit einem verschmierten Defektanteil eher zielführend ist. Dafür ist die Bestimmung einer realistischen Defektverteilung eine wesentliche Voraussetzung des Modells.