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Ermüdung und Korrosion nach mechanischer Oberflächenbehandlung von Leichtmetallen

Dindorf, Christian :
Ermüdung und Korrosion nach mechanischer Oberflächenbehandlung von Leichtmetallen.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2006)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Ermüdung und Korrosion nach mechanischer Oberflächenbehandlung von Leichtmetallen
Language: German
Abstract:

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Einflussfaktoren auf das Ermüdungs- und Korrosionsverhalten von Magnesium- (AZ91 hp, AZ80), Aluminium- (EN AW-7050) und Titanlegierungen (Titan Grad 2, Ti6Al4V FL) bei einer mechanischen Oberflächenbehandlung (Kugelstrahlen, Festwalzen) zu identifizieren und zu quantifizieren. Die Veränderung der Oberfläche und Randzone nach dem Kugelstrahlen und Festwalzen wurde licht- und elektronenmikroskopisch sowie elektrochemisch über Polarisationskurven charakterisiert. Der Einfluss einer Vorkorrosion in 5%iger NaCl-Lösung auf die Ermüdungseigenschaften wurde in Umlaufbiegeanordnung an Luft untersucht und mit unkorrodiertem Werkstoff verglichen. Um ein besseres Verständnis für die Auswirkung der Oberflächenbehandlung auf das Korrosionsverhalten zu entwickeln, wurde eine Parameterseparation (mechanische Spannungen, erhöhte Versetzungsdichte, erhöhte Rauheit) an der Magnesiumlegierung AZ80 durchgeführt. Ruhepotentiale und Polarisationskurven wurden unter elastischer oder plastischer Verformung oder bei unterschiedlichen Rautiefen aufgenommen. Die mechanische Oberflächenbehandlung führt ohne zusätzliche Vorkorrosion bei allen untersuchten Legierungen zu einer deutlichen Steigerung der Dauerfestigkeit gegenüber dem unbeeinflussten Referenzzustand. Das Festwalzen zeigt bei AZ80 einen merklich größeren Gewinn an Dauerfestigkeit als das optimierte Kugelstrahlen. Nach der Vorkorrosion der kugelgestrahlten Magnesiumlegierungen fällt die Dauerfestigkeit gegenüber dem unkorrodierten Zustand drastisch ab. Ausschlaggebender Einflussfaktor für die starke Korrosion der Magnesiumlegierungen nach dem Kugelstrahlen ist ein Elementübertrag vom eisenhaltigen Strahlmittel auf die Magnesiumoberfläche. Bei Elektrolytkontakt kommt es zu starker Kontaktkorrosion zwischen den Eisenkontaminationen und der Magnesiumoberfläche. Die Beseitigung der Eisenkontaminationen durch ein Reinigungsstrahlen mit Glasperlen konnte das Eisen nicht vollständig entfernen und führte daher weiterhin zu starker Kontaktkorrosion und einem drastischen Verlust an Dauerfestigkeit. Ein Abbeizen mit Schwefelsäure konnte zwar das Eisen entfernen und auch gegenüber dem unkorrodierten Zustand die Ermüdungseigenschaften erhalten, ist aber technologisch wenig sinnvoll, weil sehr umweltschädlich. Das Strahlen des Magnesiums mit keramischem Strahlmittel führte aufgrund von eisenhaltigen Verunreinigungen in der Strahlanlage ebenfalls zu starker Kontaktkorrosion. Das Festwalzen der Legierung AZ80 führt zu einer Verringerung der Korrosionsrate gegenüber dem elektrolytisch polierten Referenzzustand. Da kein Elementübertrag bei der Oberflächenbehandlung stattfindet, kann eine starke Kontaktkorrosion bei Elektrolytkontakt vermieden werden. Die Parameterseparation an AZ80 zeigte einen positiven Einfluss geringer plastischer Druckverformung sowie von Druckspannungen auf das Korrosionsverhalten, wohingegen die übrigen Parameter einen eher geringen und unsystematischen Einfluss auf das Korrosionsverhalten aufweist. Die untersuchten Titanlegierungen sind vom Elementübertrag auch nach einwöchiger Vorkorrosion aufgrund des selbstpassivierenden Titandioxid-Films weitestgehend unbeeinflusst. Die Aluminiumlegierungen zeigen abhängig vom Auslagerungszustand eine nur geringe Beeinflussung der Ermüdungseigenschaften durch Vorkorrosion nach mechanischer Oberflächenbehandlung. Vergleicht man die untersuchten Legierungen hinsichtlich ihrer Dauerfestigkeit bezogen auf die jeweilige Dichte, so zeigt die Legierung Ti6Al4V FL überragende Eigenschaften gegenüber den übrigen Leichtmetallen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Objective of the present study was the determination of influential factors on the fatigue and corrosion behavior of magnesium (AZ91 hp, AZ80), aluminum (EN AW-7050) and titanium alloys after mechanical surface treatment (shot peening, roller burnishing). The modification of the surface and surface layer after shot peening and roller burnishing was characterized by light and electron microscopic methods as well as electrochemically by the means of polarisation curves. The influence of a precorrosion treatment in an aqueous 5% sodium chloride solution on the fatigue properties was tested in a rotary beam bending machine in ambient air and compared to the uncorroded reference state. In order to gain a deeper understanding of the effect of the mechanical surface treatment on the corrosion behavior the different parameters (residual stress, increased dislocation density, increased roughness) have been separated, using the magnesium alloy AZ80. Rest potentials and polarisation curves have been measured in-situ with elastic or plastic deformation or with different depths of roughness. The mechanical surface treatment caused a significant increase in the endurance limit compared to the untreated reference state with all alloys investigated in the present work. Roller burnishing led to a higher increase in the endurance limit with the magnesium alloy AZ80 than an optimized shot peening treatment. After the precorrosion treatment of the shot peened magnesium alloys there is a drastic decrease of the endurance limit compared to the uncorroded state. The primary influential factor in the severe corrosion of the magnesium alloys after shot peening is an elemental transfer from the ferritic shot onto the magnesium surface. In presence of an electrolyte there is a severe galvanic corrosion between the residual iron and the magnesium surface. The removal of the iron contaminant by a secondary peening with glass beads is insufficient in reducing the iron content on the surface, thus still leading to severe galvanic corrosion and a drastic decrease of the endurance limit. A pickling treatment with sulfuric acid showed a successful removal of the iron contaminant and even retained the fatigue properties of the shot peened and uncorroded state, is however technologically inconceivable due to its environmental effect. The shot peening of magnesium with ceramic shot also led to severe galvanic corrosion because of an iron contamination of the peening machine. The roller burnishing of the AZ80 alloy caused a reduction of the corrosion rate compared to the electrolytically polished reference state. Due to the lack of elemental transfer during the roller burnishing a severe galvanic corrosion in presence of an electrolyte can be prevented. The separation of parameters on AZ80 exhibited a positive influence of a small compressive degree of deformation as well as compressive residual stresses on the corrosion behavior, whereas the remaining parameters showed no significant influence on the corrosion behavior. The titanium alloys investigated in the present work do not exhibit any impact of a one-week precorrosion treatment on the fatigue properties due to their passivated surface film. The aluminum alloys showed a small impact of the precorrosion after mechanical surface treatment on the fatigue properties dependent on the age-hardening state. Comparing the light metals investigated concerning their specific endurance limit, the Ti6Al4V FL alloy exhibits the most excellent properties among all the alloys investigated.English
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:51
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000684
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-6847
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Exner, Prof. Dr. Hans-Eckart and Eckert, Prof. Dr. Jürgen
Advisors: Exner, Prof. Dr. Hans-Eckart and Müller, Dr. Clemens
Refereed: 13 April 2006
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/684
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