Eigenspannungen in Aluminium-Silizium-Gusslegierungen

Al-Legierungen besitzen gegenüber reinem Aluminium eine höhere Festigkeit. Deshalb werden Al-Legierungen in vielen Bereichen des Leichtbaus eingesetzt. Im hier vorgestellten Projekt werden Al-Si-Gusslegierungen untersucht, die beispielsweise für Zylinderköpfe und Kurbelgehäuse verwendet werden.
 

Eigenspannungen zweiter Art

Da Aluminium und Silizium unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen, entwickeln sich nach dem Erstarren der Schmelze während der Abkühlung neben den gewöhnlichen makroskopischen Eigenspannungen zusätzliche Eigenspannungen auf mikroskopischem Niveau, sogenannte Eigenspannungen zweiter Art. Diese Eigenspannungen, die bisher nicht messbar waren, stellen hohe Materialbeanspruchungen auf mikroskopisch kleinen Bereichen dar und spielen deshalb eine große Rolle für die Rissbildung in Gussteilen.

Gemeinsam mit unseren Projekt-Partnern wurden die Eigenspannungen zweiter Art mittels Neutronendiffraktometrie in den einzelnen Phasen des Al-Si-Gefüges getrennt gemessen und erstmals direkt in der am ITWM entwickelten Mikrostruktursimulation berücksichtigt, um die mechanischen Eigenschaften, wie z.B. die Steifigkeit, das plastische Fließen und die Festigkeit, viel präziser als bisher vorherzusagen. Diese Ergebnisse können weiter benutzt werden, um die Betriebsfestigkeit der Bauteile zu berechnen.

Aluminium-Mischkristalle
© Foto ITWM

Computergenerierte Aufnahme: Aluminium-Mischkristalle in einer Aluminium-Silizium-Legierung.

Eigenspannungen 2. Art in einem Volumenelement der Legierun
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Computergenerierte Aufnahme: Eigenspannungen 2. Art in einem Volumenelement der Legierung (rot: hohe Spannungen, blau: kleine Spannungen)

Dehnungen durch die Eigenspannungen 2. Art
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Computergenerierte Aufnahme: Dehnungen durch die Eigenspannungen 2. Art (rot: große Dehnungen, blau: kleine Dehnungen).

Aluminium-Silizium-Gefüge
© Foto ITWM

Mikroskopische Aufnahmen: Aluminium-Silizium-Gefüge.

Bei der Erstarrung der Al-Si-Schmelze bilden sich zuerst Al-Mischkristalle, die eine dendritische Struktur besitzen. Abb. 1 zeigt ein Beispiel einer derartigen dendritischen Struktur, die aus einer am Synchrotron in Grenoble aufgenommen Computertomographie rekonstruiert wurde. Mit sinkender Temperatur wird die Löslichkeit des Siliziums in der Schmelze rasch kleiner, so dass sich danach winzige plättchen- oder nadelförmige Si-Kristalle innerhalb einer sogenannten eutektischen Phase bilden.

Mittels Neutronendiffraktometrie wurden sehr hohe Druckspannungen in diesen kleinen Si-Kristallen gemessen. Die bei uns entwickelte Software FeelMath erlaubt es, mithilfe dieser Messwerte die Eigenspannungen (Abb. 2) und die damit verbundenen elastischen Eigendehnungen (Abb. 3) im gesamten Gefüge zu bestimmen und beliebige Lastfälle zu simulieren.

Im hier gezeigten Beispiel treten hohe Eigenspannungen zweiter Art in der eutektischen Phase auf, so dass es unter hinreichend hohen mechanischen Belastungen zu Mikrorissen und Schädigungseffekten kommen wird. Damit konnte eine Ursache von experimentellen Beobachtungen aufgeklärt werden.
 

Projektziele

Ziel des Projekts ist jedoch nicht nur das tiefere Verständnis der Gefügeeigenschaften, sondern eine gezielte Bewertung der Sensitivität der Prozessparameter, wie z. B. Abkühlrate und Legierungszusammensetzung, auf die Festigkeit der Al-Legierungen.
 

Projektpartner

  • TU München (Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen (utg) und Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II))
  • BMW AG
  • RWP GmbH
  • Fraunhofer IIS (EZRT)