Abstract:

Ziel der Arbeit war das Schädigungsverhalten unter zyklischer Belastung der Aluminiumknetlegierung EN-AW6082 mit Hilfe der Schallemissionsanalyse zu dokumentieren und den Einfluss einer nachträglich durchgeführten Wärmebehandlung zu untersuchen. Zur Durchführung der Wärmebehandlung wurden zunächst die optimalen Wärmebehandlungsparameter zur Einstellung des Wärmebehandlungszustandes T6 durch Brinellhärtemessungen bestimmt und anschließend eine Wärmebehandlung an unverstärkten und verstärkten Proben durchgeführt. Pro Wärmebehandlungszustand und Verstärkungszustand wurden jeweils eine Wöhlerkurve erstellt und die Wechselfestigkeiten ermittelt. Dabei zeigte sich eine große Streuung der Versuchswerte der unverstärkten Proben imWärmebehandlungszustand T4, wobei die verstärkten Proben durch die stabilisierende Wirkung des Verstärkungselementes geringer streuten. Im Wärmebehandlungszustand T6 wurde eine viel geringere Streuung beobachtet, was auf die Abkühlempfindlichkeit des Matrixwerkstoffes zurückgeführt wurde. Zur Analyse der Schädigung wurde diese einerseits durch die mechanisch ermittelten Kennwerte pl,a und einem mit der Entlastungssteifigkeit verknüpften Schädigungsparameter D charakterisiert und zum anderen wurden die Schädigungsentwicklung mittels Schallemissionsanalyse dokumentiert. Zur frühzeitigen Schädigungserkennung wurde die Schallemissionsanalyse im Hinblick auf Störgeräuschunterdrückung und -vermeidung optimiert und die Empfindlichkeit durch Verwendung resonanter Sensoren verbessert. Es wurde dabei festgestellt, dass die Antriebsgeräusche im Bereich von 100 - 150 kHz liegen und durch Hochpassfilter mit einer Grenzfrequenz von 180 kHz ausgeblendet werden können. Als eine weitere Störquelle erwiesen sich die Spannzangen der Probeneinspannung, welche durch regelmäßiges schmieren mit Graphitfett beseitigt werden konnte. Zur Darstellung des Schädigungsverlaufes und zur Bestimmung des Schädigungsbeginns und des Matrixbruches wurden geeignete Kennwerte ermittelt. Zur Darstellung des Schädigungsverlaufs wurden die kumulierten Schwellwertüberschreitungen über der Lebensdauer aufgetragen. Zur genauen Bestimmung des Schädigungsbeginns wurde der Kennwert Hits dt eingeführt, welcher die Ereignisdichte darstellt und erst zu Beginn der Schädigung signifikant ansteigt. Zur Bestimmung des Matrixbruches wurde die Anzahl der Schwellwertüberschreitungen pro Ereignis (Counts Hit ) ausgewertet. Somit konnte die Schädigungsentwicklung durch die Schallemissionsanalyse durchgängig verfolgt werden und als In situ-Untersuchungsverfahren eingesetzt werden. Es wurde gezeigt das die Empfindlichkeit der Schallemissionsanalyse auf etwa gleichem Niveau wie die des mechanisch ermittelten Schädigungsparameter D liegt. Die ermittelten Kennwerte lieferten zusätzlich die Grundlage für eine automatisierte Schädigungsdetektion. Es konnte durch Verwendung der Kennwerte ein Warn- und Alarmprozessor eingerichtet werden, welcher bei Schädigungsbeginn eine Warnmeldung und bei Matrixbruch eine Alarmmeldung ausgibt. Des Weiteren konnte durch die Schallemissionsanalyse eine Ortung der Schädigung sowohl an unverstärkten als auch an verstärkten Proben erfolgreich durchgeführt werden. Eine Verbesserung der Ortung an verstärkten Proben gelang durch eine außermittige Platzierung der Sensoren auf dem reinen Matrixmaterial. An den durchgeführten metallographischen Untersuchungen wurde der Schädigungsverlauf anhand von Schliffen, Bruchflächen und einer Untersuchung der Oberflächenschädigung dokumentiert. Es zeigte sich, dass sich an der Oberfläche meist mehrere Risse bilden, von denen allerdings nur einer im weiteren Verlauf in das Probenvolumen hinein wächst. An der Matrix-Verstärkungselement-Grenzfläche kommt es bei Auftreffen des Risses zu einer Ablösung der Matrix vom Verstärkungselement. Es kommt dann zunächst zum Matrixbruch und daran anschließend folgt ein Bereich der Verstärkungselementermüdung, welcher über mikroskopisch festgestellte Risse erkennbar war. Bei fast allen mikroskopischen Untersuchungen erwies sich die Möglichkeit der Ortung durch die Schallemissionsanalyse und der Mitverfolgbarkeit der Schädigung während des Versuchs als sehr hilfreich. Insgesamt konnte festgestellt werden, dass die Federstahldrahtverstärkung zu einer Erhöhung der Festigkeit und einer Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit führt. Des Weiteren wiesen die verstärkten Proben, durch die stabilisierende Wirkung des Verstärkungselementes , ein geringfügig kleineres Streuband auf. Durch eine geeignete Wärmebehandlung nach T6 konnte zusätzlich die spezifische Festigkeit zu den Proben , welche im Wärmebehandlungszustand T4 vorlagen, gesteigert werden. Weiterhin konnte bei den T6-Proben beobachtet werden, dass die Wärmebehandlung einen negativen Einfluss auf die Wechselfestigkeit hat. Abschließend wurde ein neues Schallemissionsmessgerät (AMSY-5) eingerichtet, welches es erlaubt anhand der Warn- bzw. Alarmkriterien durch die Verwendung eines digitalen Ausgangs ein Signal zum Stoppen der Belastung an die Prüfmaschine zu senden. Desweiteren können hier verschiedene digitale Filter verwendet werden, welche eine weitere Optimierung der Empfindlichkeit ermöglichen könnten und durch Speicherung des Verlaufs der Kraft und der Dehnung in einer höheren Auflösung könnte eine direkte Korrelation zwischen Schallemissionsereignissen und dem herrschenden Kraft- bzw. Dehnungszustand ermittelt werden. Versuche im zugschwellenden Bereich könnten dabei im Vergleich zu den Versuchen mit reiner Wechselbelastung, Aufschluss darüber geben, welche Signale bei Rissöffnung und Risschließung emittiert werden.