Bei der Weiterentwicklung von thermisch und mechanisch hoch belasteten Bauteilen existiert ein direkter Zusammenhang zwischen dem Herstellungsprozess, der Mikrostruktur des Bauteils und den daraus resultierenden lokalen Werkstoffeigenschaften. Im Rahmen der „virtuellen Bauteilentwicklung“ kann das Bauteil bezüglich Bauteilqualität und Ausnutzung der Werkstoffeigenschaften unter dem Einfluss von Design, Herstellungsparametern und Einsatzbedingungen optimiert werden.

Das Ziel der Arbeit war die Entwicklung von Verformungs- und Lebensdauermodellen am Beispiel einer Aluminium-Silizium-Zylinderkopflegierung (AlSi7MgCu0,5 T6). Dazu sollten für die Prozesskette der „virtuellen Bauteilentwicklung“ die beiden Bausteine der Mikrostruktur und der lokalen Werkstoffeigenschaften zur Verfügung gestellt werden. Die Werkstoffbeschreibung der Zylinderkopflegierung sollte mittels phänomenologischer und konstitutiver Werkstoffmodelle erfolgen.

Die Charakterisierung der Mikrostruktur wurde unter Berücksichtigung des Herstellungsprozesses an vier repräsentativen Gefügeklassen qualitativ und quantitativ hinsichtlich des Sekundärdendritenarmabstandes (sDAS), den Primär-, Sekundär- und Ausscheidungsphasen, der Mikroporosität und des Resteutektikums durchgeführt. Bei der Beschreibung des Werkstoffverhaltens der AlSi-Gusslegierung zeigte sich, dass für die Zylinderkopflebensdauer unter praxisrelevanter Beanspruchung vor allem ein geringer sDAS und feine intermetallische Phasen von entscheidender Bedeutung sind. Daher muss der Herstellungsprozess des Zylinderkopfes an den höchst belasteten Stellen des Brennraumdachs ein geringen sDAS mit feinen intermetallischen Phasen bereitstellen. Die nadelförmigen intermetallischen Phasen sind für eine hohe Werkstoffausnutzung und lange Lebensdauer unbedingt zu vermeiden. Die Anwendung des konstitutiven Chaboche-Modells auf die vorliegende Leichtmetalllegierung erfolgte für den BR-Gefügezustand und für drei Temperaturen (RT, 140 °C und 250 °C). Dabei zeigte sich, dass die Nachrechnung der uniaxialen Kriech- und Ermüdungsexperimente bis auf die Abbildung des Kriechverhaltens bei 140 °C bei hohen Kriechspannungen und daher hohen inelastischen Anfangsdehnungen und großen Kriechdehnungen im Primärkriechbereich zufriedenstellende Ergebnisse lieferten. Die Lebensdauernachrechnung von betriebsähnlichen isothermen und anisothermen LCF- Beanspruchungen war mit einer temperaturabhängigen kritischen Schädigungsgröße mit einem Faktor von zwei möglich.

Schließlich wurden die aufgestellten phänomenologischen Werkstoffgesetze als Modul der Verformungs- und Lebensdauersimulation im Rahmen der virtuellen Bauteilentwicklung exemplarisch erprobt. Die Schnittstelle zur Gieß- und Erstarrungssimulation war der sDAS. Dadurch war es möglich, eine durchgängige Vorhersage der lokalen Erstarrungszeiten, der lokalen Gefügeparameter (sDAS) und der lokalen Werkstoffeigenschaften zu verwirklichen.