Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Schädigungsmechanische Ansätze zur gezielten Einstellung und effizienten Nutzung der Zähigkeitseigenschaften von hochsiliziumhaltigem Gusseisen mit Kugelgraphit

Mischkristallverfestigtes Gusseisen mit Kugelgraphit (MK-GJS) bietet aufgrund seiner sehr guten statischen mechanischen Eigenschaften großes Potenzial als Werkstoff für Leichtbaukomponenten und sicherheitskritische Bauteile. Eine breite Anwendung dieser Werkstoffe wird aktuell durch die äußerst geringe Kerbschlagzähigkeit behindert – der Einsatz erfolgt nur nach aufwändiger Einzelqualifizierung. Die Zähigkeitseigenschaften des Werkstoffs werden im Kerbschlagbiegeversuch jedoch erheblich unterschätzt, sodass kaum Aussagen über das Verhalten im Bauteileinsatz getroffen werden können. Daher bestehen seitens der Konstrukteure und Gießer weiterhin große Unsicherheiten bezüglich des Werkstoffverhaltens im realen Lastfall.

Ziel des Projektes ist es, das Zähigkeitsverhalten von MK-GJS bei spezifischer Beanspruchung sowie unter dem Einfluss des Werkstoffdesigns zu untersuchen. Durch eine direkte Übertragung der Erkenntnisse in die praktische Prüf- und Konstruktionstechnik wird so eine zweifelsfreie, an den Lastfall angepasste Auslegung von Bauteilen aus MK-GJS ermöglicht.

Dazu werden schädigungsmechanische, numerische sowie experimentelle Ansätze verfolgt, die die Charakterisierung der Zähigkeit unter dem Einfluss der Beanspruchungssituation sowie des Werkstoffdesigns erlauben. Um die Untersuchungen zu validieren und einen Übertrag in die praktische Prüftechnik zu leisten, wird ein alternatives Prüfverfahren entwickelt, das auf dem Schlagzugversuch basiert und eine Messung der Zähigkeit im konkreten Beanspruchungsfall erlaubt.

Durch die Untersuchungen wird eine sichere und sehr effiziente zähigkeitsbezogene Auslegung für Werkstoffe aus MK-GJS zur Verfügung gestellt. Für die KMU-geprägte deutsche Gießereiindustrie ergeben sich durch die erwartete Erweiterung des Anwendungsfeldes der Sorten aus MK-GJS enorme wirtschaftliche Vorteile. Durch das effiziente Nutzen des Leichtbaupotenzials dieser Werkstoffsorte können so vor allem Material- und Entwicklungskosten eingespart werden.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projekts wurden umfassende experimentelle und numerische Untersuchungen zum Zähigkeitsverhalten von Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) unter variabler Beanspruchungssituation durchgeführt. Dazu wurden an insgesamt drei verschiedenen GJS-Werkstoffen Kerbschlagbiege- und Bruchmechanikversuche zur Ermittlung des Übergangsverhaltens, Hochgeschwindigkeitszugversuche zur Ermittlung der Dehnratensensitivität, Schlagzugversuche zur Ermittlung des Einflusses durch den Spannungszustand sowie quasistatische Zugversuche unter variierender Temperatur und unter Plane-Strain- und Scherbelastung durchgeführt. Mit den so generierten Daten wurde ein phänomenologisches, schädigungsmechanisches Modell für den Werkstoff EN-GJS-500-14 kalibriert, welches in der Lage ist, die Kerbschlagzähigkeit zu berechnen. Darüber hinaus zeigen die experimentellen Ergebnisse, dass für GJS-Werkstoffe im Vergleich zu konventionellen Stählen deutlich höhere Übergangstemperaturdifferenzen bei Prüfung im Kerbschlagbiege- und Bruchmechanikversuch ermittelt werden. Ursächlich hierfür ist zum einen die Dehnratensensitivität von GJS-Werkstoffen, die im Falle einer Legierung mit 3,64% Silizium bei ca. 55% bei einer Dehnrate von 250 1/s liegt. Die Untersuchungen des Einflusses durch den Spannungszustand im Rahmen von Schlagzugversuchen zeigen zudem, dass im Vergleich zu einer Charpy-V-Probe mit einer 70° V-gekerbten Schlagzugprobe eine um ca. 60°C geringere Übergangstemperatur erreicht wird. Die Kenntnis des Verfestigungspotenzials und des Effekts durch den Spannungszustand kann entscheidend dazu beitragen, das Zähigkeitsverhalten von GJS-Werkstoffen, bspw. in Windenergie- oder Automotive-Anwendungen, unter spezifischer , äußerer Beanspruchungssituation deutlich genauer zu beschreiben und somit effizienter nutzbar zu machen.