Ziel dieser Arbeit ist, das Eigenschaftspotential von maßgeschneiderten Metalllaminaten und partikelverstärkten Metall-Keramik-Kompositen, hergestellt mittels des kumulativen Walzprozesses, zu ermitteln und verformungsspezifische Grundzusammenhänge abzuleiten. Für die Mettalllaminate steht die Verbesserung des Leichtbaupotentials unter monotoner und zyklischer Belastung im Vordergrund, für die partikelverstärkten Metall-Keramik-Komposite dagegen die Verbesserung der Kriecheigenschaften. Die Verbesserung des Leichtbaupotentials erfolgte dabei zum einen über eine Festigkeitssteigerung durch Kornfeinung. Zum anderen wurde das Leichtbaupotential durch gezielt maßgeschneiderte UFG-Metalllaminate, bestehend aus AA2024 und Ti-1 bzw. aus AA2024, Ti-1 und Stahl DC05, gesteigert. ODS-verstärktes Ti-1 wurde zur Verbesserung der Kriecheigenschaften hergestellt und anschließend untersucht.
AA2024-Ti-1-Laminate zeigen eine gesteigerte Ermüdungsfestigkeit, da Metalllaminate ein höheres Rissverweilen und eine höhere Rissablenkung aufweisen. Zudem konnte durch FE-Simulation gezeigt werden, dass Ti-1, wegen des größeren E-Moduls, einen Hauptteil der Last im AA2024-Ti-1-Metallverbund aufnimmt. Diese Erkenntnisse wurden genutzt, um ein Laminat aus AA2024, Ti-1 und Stahl DC05 mit maßgeschneiderter Stapelreihenfolge zu erzeugen. DC05 trägt die Hauptlast, Ti-1 als Außenschicht verbessert die Rissinitiierung und AA2024 als Kernmaterial reduziert das Gewicht, wodurch die spezifische Biegeermüdungsfestigkeit optimiert werden konnte.
An ODS-Ti-1 wurde zusätzlich die Kriechbeständigkeit untersucht. Bei 350 °C reduziert die Einbringung von Nanopartikeln die minimale Kriechrate. Die Kriecheigenschaften werden über die höhere Festigkeit des ODS-Ti-1 gesteigert. Beim Vergleich zwischen CG- und UFG-Ti-1 zeigt sich, dass bei höheren Spannungen die UFG-Mikrostruktur kriechbeständiger ist, bei geringen Spannungen weist hingegen die CG-Mikrostruktur eine höhere Kriechbeständigkeit auf.
Aktualisiert: 2020-12-26
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Bauteile werden häufig zyklisch wechselnden Belastungen ausgesetzt. Hierbei kann es zum Materialversagen kommen, obwohl die aufgebrachten Spannungsamplituden deutlich kleiner sind als die Fließgrenze des Material. Die Aufgabenstellung dieser Dissertation lag in der Untersuchung der Schädigungsmechanismen und der Lebensdauer von ultrafeinkörnigen lamellaren metallischen Verbundmaterialien unter zyklischer Belastung. Hierzu wurden sowohl werkstoffartgleiche als auch werkstoffartfremde Verbundmaterialien mittels kumulativem Walzprozess hergestellt. Durch detaillierte mikrostrukturelle Untersuchungen vor, während und nach den Experimenten konnten die Material- und belastungsspezifischen Verformungs- und Schädigungsmechanismen abgeleitet werden.
Eine gezielte Material- und Herstellungswahl führte zu einer signifikanten Steigerung der zyklischen Lebensdauer in ultrafeinkörnigen lamellaren metallischen Verbundmaterialien im Vergleich zu grob- und ultrafeinkörnigen Monomaterialien. Die Ursache und das Maß der Steigerung waren hierbei stark von der Belastungsamplitude abhängig und konnten mit einer ausgeprägten Abhängigkeit des Rissausbreitungsverhalten vom Belastungsniveau erklärt werden. Die in dieser Arbeit gezeigte deutlich gesteigerte Lebensdauer der ultrafeinkörnigen lamellaren metallischen Verbundmaterialien ist auch von großem technologischen Interesse, da dies erreicht wurde ohne die Dichte des Materials zu erhöhen. Des Weiteren ist die Rissausbreitung in den ultrafeinkörnigen Verbundmaterialen deutlich verlangsamt. Bei einem ausreichend hohen Unterschied in der Festigkeit und einer oberflächennahen Schicht des festeren Materials wurde der Rissfortschritt an der Materialgrenzfläche sogar vollständig gestoppt. Dies würde die Sicherheit zyklisch beanspruchter Bauteile deutlich erhöhen, da ein schnelles Risswachstum, welches oftmals zu einem kritischen Versagen führt, ausgeschlossen werden kann.
Aktualisiert: 2020-12-26
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