Einfluss der Mikrostruktur auf die Rissinitiierung und Rissentwicklung in Al(6061)/Al2O3 unter zyklischer Belastung - Tomogrammbasierte 3D-Modellierung und Experimente
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die vorliegende Arbeit hatte das Ziel, die für die Ermüdung von Al(6061)/Al2O3 Verbundwerkstoff grundlegenden Phänomene unter Berücksichtigung von Matrixeigenschaften besser zu verstehen. Durch eine Kombination von Experiment und FE-Simulationen wurde das Verformungsverhalten dieses Werkstoffs auf der Mikroebene unter niederzyklischer Wechselbelastung untersucht. Der Fokus lag auf der Initiierung der Ermüdungsrisse. Erkenntnisse und methodische Entwicklungen, die aus diesem Projekt hervorgegangen sind: 1) Der Al(6061)/Al2O3 Teilchenverbundwerkstoff weist je nach Art der mechanischen Belastung und die Eigenschaften der Matrixphase unterschiedliche Rissinitiierungsmechansimen auf. 2) Anders als unter monotoner Zugbelastung, kommt unter niederzyklischer Wechselbelastung nicht (vorwiegend) zum Partikelbruch bzw. –ablösung sondern zur Rissentstehung in der Matrixphase. Im Verbundwerkstoff mit der „harten“ Matrix (T6) entstehen die Ermüdungsrisse in persistenten Scherbändern in Verbindung mit Intrusionen und Extrusionen. Diese Risse haben einen klaren kristallographischen Charakter, der auf ihr Verlauf in definierten Gleitebenen hindeutet. Die ersten Ermüdungsrisse bilden sich nach ca. 50% der Lebensdauer auf der Probenoberfläche, bei der Dehnungsamplitude von 0,5% und erreichen die mittlere Länge von 15-18 µm. Dieses Ergebnis stimmt mit den Mikrotomographieuntersuchungen überein. Der überwiegende Teil der Risse wächst in die Richtung von maximalen Schubspannungen, geneigt um ca. 45° zur Belastungsachse. Es werden ständig neue Risse initiiert. Der Initiierungsprozess bleibt im Gleichgewicht mit dem Wachstumsprozess, so dass die mittlere Risslänge fast konstant bleibt. Es bilden sich Rissfelder, die aus Mikrorissen in hoher Dichte aufgebaut sind. Alle Risse entstehen ausschließlich in der Matrixphase zwischen den keramischen Teilchen, jedoch im ersten Stadium des Wachstums ohne sichtbare Verbindung zu Al2O3. Bei der Ausbreitung in das Werkstoffinnere hinein suchen sich die Risse die Pfade zwischen Teilchen und scheinen oft durch die Poren bzw. kurze Risse vor der eigentlichen Rissspitze geleitet zu werden. Im Verbundwerkstoff mit der „weichen“ Matrix („Weichglühung“) scheinen die Ermüdungsrisse den inneren Grenzflächen in der Matrixphase zu folgen und bilden „schildkrötenhautähnliche“ Muster. 3) Entwicklung einer Routine zur Erstellung von tomogrammbasierten 3D-Gefügemodellen mit Hilfe von Software AVIZO. 4) Basierend auf den Tomogrammen wurden dreidimensionale FE-Modelle der Mikrostruktur von Al(6061)/Al2O3 erstellt und entsprechend den experimentellen Randbedingungen zyklisch belastet. Mit diesen Modellen konnte die Entwicklung der Dehnungs- und Spannungsmuster im Gefüge als Funktion der Zyklenzahl ermittelt und analysiert werden. Es wurde eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen und simulierten Hysteresen und Verläufen von min. und max. Spannungen für den Verbundwerkstoff T6 festgestellt. Darüber hinaus konnten in den FE-Berechnungen Orte mit hohen Dehnungskonzentrationen in den oberflächennahen Bereichen identifiziert werden, die eine Analogie zu den persistenten Scherbändern darstellen und als Rissinitiierungsstellen wirken. 5) Anpassung eines Stoffmodells, das als UMAT in das Abaqus-Programm implementiert ist und zur Modellierung des zyklischen Verhaltens der Al(6061)-Matrixphase (T6) in den FE-Simulationen verwendet wurde. 6) Verbesserung der Oberflächenpräparation der Verbundwerkstoffproben für die EBSD-Messungen. Die erzielten Ergebnisse bedeuten nicht nur einen Erkenntnisgewinn, sondern haben zur Entwicklung der experimentellen und numerischen Methoden beigetragen und stehen derzeit an der Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart als „Werkzeuge“ zur Verfügung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Crack initiation in the Al(6061)Al2O3 composite under monotonic and cyclic loading”. 18. European Conference on Fracture (ECF18), Dresden (2010)
Soppa, E.; Y. Schneider, R. Mokso, Ch. Kohler, X. Schuler, E. Roos
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“Numerical and experimental investigations of the global and local behaviour of an Al(6061)/Al2O3 metal matrix composite under low cycle fatigue”. 11. International Conference on the Mechanical Behaviour of Materials (ICM11), COMO, Italien. Procedia Engineering 10 (2011) 1515-1520
Schneider, Y.; E. Soppa, C. Kohler, R. Mokso, E. Roos
