Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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In diesem Forschungsvorhaben wurde ein Verfahren entwickelt, um die Genauigkeit der Lebensdauerbewertung für Abgasturbolader (ATL)-Verdichterräder aus der ausscheidungs-härtbaren Aluminiumlegierung EN AW-2618A zu verbessern. Dies umfasst insbesondere die Berücksichtigung der Werkstoffalterung, mit der beim Einsatz dieser Bauteile unter entsprechender Betriebsbeanspruchung (Temperatur, Zeit, Spannung) gerechnet werden muss. Zunächst wurde eine solide experimentelle Datenbasis für den untersuchten Werkstoff geschaffen. Dies umfasste sowohl eine mechanische als auch eine mikrostrukturelle Charakterisierung des Ausgangszustands (T61) sowie von ausgelagerten Zuständen bis zu 25.000 h bei betriebsrelevanten Temperaturen (160 °C, 180 °C, 190 °C). Bei den Untersuchungen zur Mikrostruktur wurde der Fokus auf die Entwicklung der Radien der stäbchen-förmigen aushärtenden Phase gelegt, die während der Alterung vergröbern. Der Zusammenhang zwischen Auslagerungstemperatur, -zeit und ggfs. mechanischer Belastung wurde erstmals in diesem Umfang quantifiziert und entsprechende Gesetzmäßigkeiten zur Beschreibung der Vergröberung ermittelt. Vergleichend dazu wurde der Einfluss der Alterung auf die Härte, die Festigkeit, das Kriechverhalten und die Ermüdungslebensdauer (LCF, TMF) bestimmt, so dass eine Korrelation zur Mikrostruktur vorliegt.
Die Ergebnisse der Kriechversuche wurden zur Kalibrierung eines modifizierten Sinus-hyperbolicus-Kriechmodells verwendet. Ein zeit- und temperaturabhängiges Verformungsmodell nach Chaboche, welches die wesentlichen Phänomene der Hochtemperaturverformung und der Wechselplastizität beschreibt, wurde erweitert und berücksichtigt nun die Werkstoffalterung, indem die Festigkeit nicht nur als Funktion der Temperatur, sondern auch des Alterungszustands (d. h. des mittleren Radius der Ausscheidungen) dargestellt wird. Für die Erweiterung des Modells zur Bewertung der Ermüdungslebensdauer wurde analog verfahren. Die berechnete Lebensdauer der im Verlauf des Vorhabens durchgeführten LCF- und TMF-Versuche stimmt gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Lediglich ein LCF-Versuch mit einer Haltezeit von 900 s im Zug weicht deutlich vom Mittelwert ab und zeigt die Grenzen des zeitunabhängigen Schädigungsmodells auf. Versuche mit kürzeren Haltezeiten bis zu 60 s liegen im Streuband, ebenso die verschiedenen Alterungszustände. Eine Schädigungsakkumulation unter Berücksichtigung der fortschreitenden Alterung über der Lebensdauer wurde entwickelt und implementiert. Neben der Berücksichtigung der Alterung in der Verformungs- und Lebensdaueranalyse besteht auch die Möglichkeit, komplexe Belastungszyklen in einem Postprozessing zu bewerten, indem Rainflow-Klassierungen typischer komplexer Belastungszyklen vorgenommen werden.
Die Methodik und die Modelle wurden in die Finite-Elemente-Programme Abaqus und Ansys implementiert und stehen für die rechnerische Bewertung von Bauteilen zur Verfügung.
Two metal matrix composites, both consisting of a near-eutectic cast AlSi12CuMgNi alloy, one reinforced with 15%vol. Al2O3 short fibers and the other with 7%vol. Al2O3 short fibers + 15%vol. SiC particles were studied. Distribution, orientation, and volume fraction of the different phases was determined by means of synchrotron computed tomography. The load partitioning between phases was investigated by in-situ neutron diffraction compression tests. The internal damage of the eutectic Si phase and Al2O3 fibers after ex-situ compression tests was directly observed in CT reconstructed volumes. Significant debonding between Al-matrix and SiC particles was found. Those observations allowed rationalizing the load transfer among the constituent phases of two different composites. Finally, based on the Maxwell scheme, a micro-mechanical model was utilized for the composite with one and two ceramic reinforcements. The model rationalizes the experimental data, and predicts the evolution of principal stresses in each phase.
The performance of adhesively joined hybrid components relies strongly on the stability of the adhesive-material interface. With the increasing utilization of multi-material structures in the automotive and aerospace industry, it is of great scientific and technical interest to understand the processes leading to adhesive failure and to develop novel strategies to increase corrosion and delamination resistance of adhesive joints.
The aim of this study is to develop thin epoxy based films and their carbon nanofiller loaded composites on aluminium alloy AA2024-T3 and to investigate their interfacial stability under corrosive and coupled corrosive-mechanical load. Spin coating was used for the layer-by-layer deposition of poly[(o-cresyl glycidyl ether)-co-formaldehyde] and poly-(ethylenimine) bi-layers. Carbon nanofillers are introduced either by mixing into the coating components or in between individual layers. Cyclic voltammetry (CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analysis was performed to investigate the porosity and water uptake of the model films, respectively. Atomic force microscopy (AFM) results indicated a very homogeneous and dense film with low surface roughness. The bi-layer thickness ranged between 30 to 40 nm. Electrochemical measurements show a higher corrosion resistance with the increase of the bi-layer number.
The main novelty of this contribution is the in-situ AFM investigations under coupled corrosive-mechanical load. For this purpose, a tensile module capable of uniaxial stretching and compression with up to 5 kN force was integrated into the AFM stage. Stretching experiments were performed to investigate the mechanical properties and adhesion of the films, as well as structural changes of the film morphology during uniaxial deformation. The contribution will provide detailed information on the new AFM setup and summarize our results on the stability of model epoxy and nanocomposite films on AA2024-T3.
The influence of heat treatment and creep loading on the microstructure of an Al-Cu-Li alloy was investigated. Especially the formation of different precipitates (T1 and Theta') were characterized and the microstructural changes under different ageing conditions (with and without external strain) were investigated to determine the effect od stress on the ageing process.