Zur thermischen Ermüdung der Magnesiumbasislegierungen AZ31 und AZ91

Krauß, Martin

kassel university press, ISBN: 978-3-89958-268-0, 2007, 230 Pages
(Forschungsberichte aus dem Institut für Werkstofftechnik - Metallische Werkstoffe 8)

URN: urn:nbn:de:0002-2686

Zugl.: Kassel, Univ., Diss. 2006

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Content: Das thermisch-mechanische Ermüdungs- (TME-) Verhalten der Magnesiumlegierungen AZ31 und AZ91 wird untersucht und diskutiert. Die TME-Versuche erfolgen unter vollständiger Behinderung der thermischen Dehnung, so dass der von der Prüfmaschine aufgeprägte mechanische Totaldehnungsbetrag der thermischen Probendehnung entspricht. Die Temperaturschwingbreite liegt zwischen 150 und 240°C, bei Untertemperaturen von –50 bzw. 50°C. Ergänzend wird das Werkstoffverhalten bei quasistatischer Beanspruchung und das Relaxationsverhalten im Temperaturbereich von –50 bis 290°C untersucht. Die Untersuchungen führten zu folgenden Ergebnissen:

Bereits im ersten Lastwechsel weichen die Nennspannungen der TME-Versuche von den für gleiche plastische Dehnungen bei entsprechender Temperatur in quasistatischen Versuchen gemessenen Werten ab. Die Abweichungen werden durch Wechselwirkungen zwischen den bei TME-Beanspruchung temperaturabhängig gestaffelt ablaufen Verformungs-, Erholungs- und Rekristallisationsprozessen verursacht.

An texturiertem AZ31 tritt auch unter TME-Beanspruchung eine durch Zwillingsbildung verursachte Verformungsasymmetrie auf. Bei Umkehr der Belastungsrichtung ist sie unter bestimmten Bedingungen weitgehend reversibel. Die plastische Verformung der y-Mischkristalle von AZ91 ist unter TME-Beanspruchung aufgrund der „abschirmenden“ Wirkung der aluminiumübersättigten Korngrenzenphase geringer, als an AZ31. Deshalb zeigt AZ91 nur relativ wenige Verformungszwillinge und kaum auf kristallographisches Gleiten zurückzuführende Ätzfiguren.

Die TME-Beanspruchung führt bereits bei Obertemperaturen von 100°C zu Rekristallisationsvorgängen. An AZ31 sind bevorzugt verzwillingte Bereiche mit entsprechend hoher Versetzungsdichte, bei AZ91 ist zunächst die aluminiumübersättigte Korngrenzenphase betroffen.
Bis zu einer Obertemperatur von 225°C bilden sich Ausscheidungen der y-Phase (Mg17Al12). Bei geringeren Obertemperaturen beschränkt sich diese auf die Korngrenzen, bei höheren Temperaturen entstehen diskontinuierliche Ausscheidungen. Obertemperaturen ab 250°C führen bei AZ31 zur Auflösung etwa vorhandener y-Ausscheidungen, bei AZ91 darüber hinaus zur Einformung der Mg17Al12-Phase des entarteten Eutektikums des Gussgefüges.
TME-Beanspruchung der texturierten Knetlegierung AZ31 führt bei Obertemperaturen ab 175°C zu deutlichen Texturänderungen. Es findet ein Umklappen des Ausgangsgefüges in Zwillingsposition statt, das zur Abschwächung der Ausgangstextur führt. Daneben wird eine Verschärfung der Ausgangstextur beobachtet, die auf wiederholte Rekristallisation mit nachfolgender Zwillingsbildung unter in Walzrichtung angreifender Zugbeanspruchung zurückzuführen ist. Die im Ausgangszustand mit regelloser Kristallorientierung vorliegende Gusslegierung AZ91 lässt nach thermisch-mechanischer Ermüdung mit Obertemperaturen ab 225°C eine doppelte Fasertextur der Basalebenen erkennen, die durch sowohl unter Zug- als auch unter Druckbeanspruchung ablaufende Zwillingsbildung verursacht wird.

Unter TME-Beanspruchung vollzieht sich die Rissbildung bei AZ31 bevorzugt im Bereich von Zwillingsbändern. Sie verläuft bis 225°C Obertemperatur vorwiegend normalspannungsgesteuert, quer zur Beanspruchungsrichtung. An AZ91 erfolgt sie bei niedrigeren Obertemperaturen im Bereich von Spannungsüberhöhungen wie Drehriefen und oberflächennahen Lunkern. Mikrostrukturell kurze Risse wachsen fast ausschließlich normalspannungsgesteuert, in den aluminiumübersättigten Korngrenzbereichen. Beim Übergang auf primär erstarrte Mg-Mischkristalle kommen sie oftmals zum Stillstand, ansonsten erfolgt die Rissausbreitung gemischt. Generell vollzieht sich die Makrorissausbreitung an AZ91 mit höherer Geschwindigkeit, als an AZ31.

Die Abhängigkeit der Lebensdauer von der thermisch-mechanischen Ermüdungsbeanspruchung ist bei einer Untertemperatur von –50°C bis zu einer Obertemperatur von 190°C sowohl durch die Temperaturschwingbreite, als auch durch die plastische (Coffin-Manson-Beziehung) und die elastische Dehnungsamplitude (Basquin-Beziehung) darstellbar.

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