Risswachstumsverhalten von Aluminiumknetlegierungen unter zyklischer Beanspruchung bei niedriger Belastungsamplitude

Abstract

Im Bereich sehr hoher Lastspielzahlen (Very High Cycle Fatigue (VHCF)) und damit sehr niedrigen Lastamplituden ist nicht klar, ob alle Risswachstumsphasen der konventionellen Risswachtsumkurve auftreten. Die natürliche Rissinitiierung der Aluminiumknetlegierungen EN-AW 6082 und EN-AW 5083 tritt bei sehr niedrigen Belastungsamplituden vorzugsweise im Werkstoffinneren auf, wobei die Rissausbreitung ohne Kontakt zu atmosphärischen Bestandteilen der Umgebungsluft stattfindet. Um das Rissausbreitungsverhalten im Werkstoffinneren abbilden zu können, wurden Ermüdungsexperimente im Vakuum durchgeführt. Hierbei ermöglichte die Ultraschallermüdungsprüftechnik mittels einer kleinen Vakuum-Probenkammer in Verbindung mit der Fernfeldmikroskopie die Erfassung des Langrissausbreitungsverhaltens bei einer Resonanzfrequenz von etwa 19,2 kHz unter unterschiedlichen Spannungsverhältnissen. Desweiteren ermöglichte ein speziell für das Rasterelektronenmikroskop (REM) konstruiertes und gebautes Miniaturprüfsystem eine in-situ Beobachtung sowie Charakterisierung der Schädigung unter der Vakuumbedingung der REM-Probenkammer. Um den Atmosphäreneinfluss auf die VHCF-Langrissausbreitung genauer untersuchen zu können, wurden Ermüdungsexperimente unter verschiedenen Umgebungsbedingungen durchgeführt. Die Ergebnisse aus den Ermüdungsversuchen zeigen, dass ein signifikanter Atmosphäreneinfluss auf das VHCF-Langrissausbreitungsverhalten besteht, welcher sich sowohl im Risspfad als auch in der Rissausbreitungsrate manifestiert. Insbesondere für die Aluminiumknetlegierung EN-AW 6082 im maximal ausscheidungsgehärteten Zustand konnte nachgewiesen werden, dass unter VHCF-Belastung sowohl eine ausgeprägte Einfachgleitung als auch hauptsächlich schubspannungsgesteuertes Risswachstum im Vakuum stattfinden. Damit unterscheidet sich das VHCF-Rissausbreitungsverhalten in diesem Werkstoffzustand im Vakuum signifikant vom bisher bekannten Risswachtum im Low-Cycle- bzw. High-Cycle-Fatigue-Bereich. Mit dieser Erkenntnis wurde mit Hilfe eines zweidimensionalen, numerischen Kurzrisswachstumsmodells, das auf der Randelementemethode basiert, die VHCF-Langrissausbreitung im Vakuum in diesem Werkstoffzustand simuliert. Durch die Anwendung von synthetischen Mikrostrukturen ermöglicht das Modell eine physikalisch basierte Bewertung von mikrostrukturellen Merkmalen hinsichtlich des Effektes und deren Relevanz auf die VHCF-Ermüdungsrissausbreitung.

In the regime of Very High Cycle Fatigue (VHCF), that means at very low stress amplitudes, it is not clear whether all the conventional crack propagation phases occur. Investigations on the aluminium wrought alloys EN-AW 6082 and EN-AW 5083 at very low stress amplitudes have shown that the “natural” crack initiation was often observed to occur underneath the material surface and crack propagation takes place without any contact to atmospheric components. Thus, fatigue experiments in vacuum on externally precracked samples were performed in order to simulate the internal crack propagation. For this purpose, the ultrasonic fatigue testing technique (complemented by a small vacuum chamber) was applied allowing the examination of the crack growth characteristics in vacuum at a resonant frequency of about 19.2 kHz and different stress ratios by using a long-distance microscope. Furthermore, a miniature fatigue testing system which was specifically designed and made for the use in a scanning electron microscope (SEM) was used for the in-situ observation and characterization of the crack growth behaviour at high resolution under the vacuum conditions of the SEM. Fatigue experiments in different environmental conditions were performed in order to investigate the atmospheric influence on the fatigue crack propagation behaviour. The results show that there exists a significant atmospheric influence on the fatigue crack propagation behaviour which manifests itself in the crack path as well as in the crack growth rate. Especially the result obtained on the aluminium alloy EN-AW 6082 in the peak-aged (pa) condition revealed that shear-stress controlled crack propagation takes place under VHCF loading due to pronounced single sliding in vacuum. Thus, the VHCF long crack growth in vacuum in this material condition differs significantly from the well-known conventional long crack growth in the Low Cycle or High Cycle Fatigue regime. Against this background, a two dimensional numerical short fatigue crack growth model was adapted leading to a realistic simulation of the VHCF long fatigue crack propagation in vacuum. The model can be applied to synthetic microstructures allowing a physically based assessment of the effect and relevance of microstructural parameters on the VHCF life, which is determined in the (pa) condition by microstructure-controlled long fatigue crack growth.