Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Ableitung von synthetischen Wöhlerlinien für Aluminiumgusswerkstoffe

Synthetische Wöhlerlinien Aluminiumgusswerkstoffe

Ziel des Forschungsprojektes ist die Bereitstellung einer Bemessungsmethode auf Basis synthetischer Wöhlerlinien für Aluminiumguss, die eine relevante Bewertung der zulässigen, lokalen zyklischen Beanspruchbarkeit von Aluminiumguss-Bauteilen auch unter der Maßgeblichkeit herstellungsbedingter Eigenschaftsunterschiede durch die Gießverfahren Strangguss, Sandguss, Kokillenguss und Druckguss bietet. Dabei sollen gebräuchliche Bemessungsgrundlagen in den Auslegungsrichtlinien anhand experimenteller Untersuchungen an Al-Legierungen verschiedener Herstellungsverfahren nach dem Stand der Technik überarbeitet und durch Betriebsfestigkeitsmethoden zur Berücksichtigung relevanter Einflussfaktoren ergänzt werden. Prüfung und Aufbereitung der Literatur-Datenbasis zum zyklischen Werkstoffverhalten von Aluminium-Gusswerkstoffen unter ergänzender Berücksichtigung von Einflussfaktoren (spannungsmechanischen, technologischen und statistischen Größeneinflusses, des höchstbeanspruchten Werkstoffvolumens, Ver- und Entfestigungsvorgänge, die Mittel-spannungsempfindlichkeit und erhöhte Betriebstemperatur). Zur Charakterisierung des Werkstoffverhaltens soll die Datenbasis durch zyklische spannungs- und dehnungsgeregelte Schwingfestigkeits-und Zugversuche an un-, mild und scharf gekerbten Versuchskörpern aus Al-Probenmaterial und -Bauteilen unterschiedlicher Herstellungsverfahren erweitert werden. Die Erkenntnisse werden in einer Bemessungsmethode und Empfehlungen zur Bauteilauslegung in einem Methodenträger zusammengeführt und sollen eine wissenschaftlich abgesicherte, zuverlässige Abschätzung der Bauteillebensdauer auf der Grundlage überarbeiteter "Synthetischer Wöhlerlinien" bieten. KMUs sollten in der Lage sein, mit den Ergebnissen von diesem Projekt, eine rechnerische Bauteilbemessung/ Festigkeitsnachweise durch zu führen. Damit lassen sich Entwicklungsprozesse beschleunigen, Marktvorteile sichern und neue Märkte erschließen.

Ergebniszusammenfassung:

Für Hersteller und Abnehmer von Aluminiumgussbauteilen (AGB), zu denen viele KMU zählen, ist eine optimale

Werkstoffauslastung von großer wirtschaftlicher Bedeutung, um Rohstoff- und Energiereserven einzusparen.

Kosten- und energieeffiziente Herstellung sowie sachgerechte Abschätzungen der Beanspruchbarkeit sind essenziell, um konkurrenzfähig zu bleiben. Bereits im Konstruktionsstadium von Gussbauteilen (z.B. Automobil-Leichtbau) ist es relevant die Werkstoffbeanspruchbarkeit abhängig von Herstellungsroute (HR), Wärmebehandlung (WB), Mikrostruktur (MS), Anwendungstemperatur (AT), Belastungsart (BA) und Kerbwirkung (KW) zutreffend abzuschätzen. Hierzu dienen Bemessungskonzepte, denen Datenbanken aus Ermüdungsfestigkeiten zugrunde liegen. Zur Abschätzung der Bauteilbeanspruchbarkeit werden Normkennwerte (DIN 1706) und Auslegungswerke wie die FKM-Richtlinie verwendet. Im Projekt wurden Ermüdungsfestigkeiten für 10 industrielle Al-Gusswerkstoffe (AG) von 4 Herstellern (aus AGB/Platten/Stäben) in einer Versuchsmatrix aus 118 Wöhlerlinien ermittelt, innerhalb derer relevante Einflussfaktoren (HR, WB, MS, AT, BA, KW) systematisch variiert werden. Die Ergebnisse wurden nach etablierten Methoden statistisch ausgewertet und in eine Datenbank überführt. Mittels Finite-Element-Analyse (FEA) wurde eine bauteilähnliche Probe (aus AGB) vernetzt und simulativ abgebildet (zudem exp. zyklisch geprüft). Die Ansätze „FKM-Richtlinie (FKM)“ und „Synthetische Wöhlerlinien (SWL)“ wurden in Berechnungsalgorithmen implementiert, die die ermittelte Datenbank verwenden. Die bauteilähnliche Geometrie wurde mit beiden Algorithmen bewertet, wobei die Konzepte durch Vergleich zur exp. Wöhlerlinie validiert werden. Es ergibt sich, dass FKM und SWL nahe an den tatsächlichen Schwingfestigkeiten liegen. Zudem kann die Datenbank zukünftig in die FKM integriert werden und zur Erweiterung der FKM-Auslegung auf AG mit geringer Duktilität (semi-duktil) beitragen, wovon insbesondere KMU profitieren.