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Schwingfestigkeit und Schädigungsmechanismen der Aluminiumlegierungen EN AW-6056 und EN AW-6082 sowie des Vergütungsstahls 42CrMo4 bei sehr hohen Schwingspielzahlen

Schwerdt, Daniela :
Schwingfestigkeit und Schädigungsmechanismen der Aluminiumlegierungen EN AW-6056 und EN AW-6082 sowie des Vergütungsstahls 42CrMo4 bei sehr hohen Schwingspielzahlen.
Institut für Werkstoffkunde, Fachbereich Maschinenbau,TU Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Schwingfestigkeit und Schädigungsmechanismen der Aluminiumlegierungen EN AW-6056 und EN AW-6082 sowie des Vergütungsstahls 42CrMo4 bei sehr hohen Schwingspielzahlen
Language: German
Abstract:

Die zentralen Fragestellungen der internationalen Forschungsaktivitäten bei Untersuchungen zum Schwingfestigkeitsverhalten bei sehr hohen Schwingspielzahlen sind: • Wie groß ist der Schwingfestigkeitsabfall für den jeweiligen Werkstoff bzw. Werkstoffzustand? • Welche Schädigungsmechanismen treten bei hohen Schwingspielzahlen auf? In dieser Arbeit wurden die Schwingfestigkeit und die Schädigungsmechanismen der Aluminiumknetlegierungen EN AW 6056 T6 und EN AW 6082 T5 sowie des Vergütungsstahls 42CrMo4 untersucht, ausgehend vom High-Cycle-Fatigue-Bereich (HCF, N < 10exp7) bis in den Very-High-Cycle-Fatigue-Bereich (VHCF, N > 10exp7). Die Ermüdungsversuche wurden an einer servohydraulischen Prüfmaschine (f = 400 Hz), einem Hochfrequenzpulsator (f ≈ 150 Hz) und Umlaufbiegemaschinen (f = 46 Hz) durchgeführt. Für die mikrostrukturellen Untersuchungen wurden ein Rasterelektronenmikroskop mit energiedispersiver Röntgen-mikroanalyse und Electron Back Scatter Diffraction Methode sowie ein Transmissionselektronenmikroskop eingesetzt. Die Schwingfestigkeit beider Aluminiumlegierungen nimmt mit zunehmender Schwingspielzahl im VHCF-Bereich weiter ab. Bei beiden Aluminiumlegierungen versagen die glatten Proben bei hohen Spannungsamplituden ausgehend von der Oberfläche, bei niedrigen Spannungsamplituden setzt die Rissbildung im Probeninneren ein. Allerdings existieren unterschiedliche Schädigungsmechanismen im VHCF-Bereich. Bei den glatten Proben der Legierung EN AW-6056-T6 finden Rissbildung und Risswachstum im Wesentlichen entlang der durch Ausscheidungen belegten {110}-Ebenen des kristallografischen Gitters statt. Dementsprechend zeigen die gebrochenen Proben überwiegend spaltförmige Flächen im Rissausgangsbereich und im weiteren Verlauf der Schwingbruchfläche. Bei den glatten Proben der Legierung EN AW-6082-T5 bildet sich der Riss in einem singulär auftretenden sehr großen Korn mit einer von der Matrix vollständig verschiedenen kristallografischen Orientierung. Dieses Korn ist vermutlich durch eine spezielle Art der Rekristallisation der sogenannten Particle Stimulated Nucleation (PSN) entstanden und weist im Vergleich zur Matrix einen höheren Schmidfaktor auf. Die Schwingfestigkeit des Vergütungsstahls nimmt mit zunehmender Schwingspielzahl im VHCF-Bereich weiter ab. Es treten Brüche oberhalb von 10exp7 Schwingspielen bei Spannungsamplituden auf, die deutlich unterhalb der konventionell ermittelten Dauerfestigkeit liegen. Beim Übergang von HCF zu VHCF kommt es zu einer Verschiebung des Ortes der Anrissbildung von der Oberfläche in das Werkstoffinnere. Im VHCF-Bereich findet die Riss- initiierung im Probeninneren an, durch die Warmformgebung bedingten Ablösungen der Matrix von singulär auftretenden, globularen oxidischen Einschlüssen mit einer sulfidischen Umhüllung statt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In this work investigations of the fatigue strength and the failure mechanisms of the wrought aluminium alloys EN AW 6056 T6 and EN AW 6082 T5 as well as of the quenched and tempered steel 42CrMo4 were carried out from the high-cycle-fatigue-region (HCF, N < 107) to the very-high-cycle-fatigue-region (VHCF, N > 107). The fatigue tests were performed with a servo-hydraulic testing machine (f = 400 Hz), with a high frequency pulsator (f ≈ 150 Hz) and with rotating bending testing machines (f = 46 Hz). A scanning electron microscope with Energy Dispersive X-ray- micro analysis and Electron Back Scatter Diffraction Method and a transmission electron microscope were used for investigations of the microstructure. The fatigue strengths of both aluminium alloys decreases with the rising number of cycles in the VHCF region. At high stress amplitudes smooth specimens of both aluminium alloys failed starting from the surface, at lower stress amplitudes crack initiation occurs in the inside of the specimen. However, different failure mechanisms exist in the VHCF-region. Crack initiation and crack growth in the smooth specimens of the alloy EN AW 6056 T6 mainly take place on the {110} crystallographic planes which are occupied with precipitates. According to this, the fractured specimens mainly show cleavage- like planes in the area of crack initiation and also in the fatigue fracture surface. Crack initiation in the smooth specimens of the alloy EN AW 6082 T5 occurs in a singular existing very big grain which has a totally different crystallographic orientation than the matrix. Assumedly, this grain was developed by a special kind of recrystallisation, the so-called Particle Stimulated Nucleation (PSN), and it exhibits a higher Schmidfactor in comparison to the matrix. The fatigue strength of the quenched and tempered steel decreases with the rising number of cycles in the VHCF-region. Fractures occur beyond the HCF-region although the stress amplitudes are clearly below the conventional fatigue limit. At the transition from HCF to VHCF it comes to a shift of the crack initiation site from the surface to the inside of the material. In the VHCF-region the crack initiation inside of the material occurs at delamination during the hot forming process between the matrix and the globular Oxides with a sulphidic coating.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Date Deposited: 23 Nov 2011 12:01
Last Modified: 07 Dec 2012 12:00
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-27440
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Berger, Prof. Dr.- Christina and Christ, Prof. Dr. Hans-Jürgen
Refereed: 25 May 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2744
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