Anton Stich

Korrosionsermüdung von Aluminium- und Magnesium-Gußlegierungen

Bei Bruchlastspielzahlen zwischen 105 und 109 wurde die Wechselfestigkeit von Aluminiumgus AlSi7Mg und AlSi10Mg, Magnesium Druckgus AZ91 hp und AM60 hp, sowie Niederdruck-Kokillengus AZ91 hp in Raumluft und in Salzwasser-Spruhnebel bestimmt. Die Untersuchungen wurden mit einem hochfrequenten Prufverfahren (20 kHz Ultraschall) bei konstanter Lastamplitude und fur Aluminiumgus AlSi10Mg und Niederdruck-Kokillengus AZ91 hp zusatzlich bei Betriebslast durchgefuhrt. Die Wohlerkurven der Aluminiumguslegierungen und von Magnesium Niederdruck-Kokillengus verlaufen in korrosiver Umgebung steiler als in Raumluft. In beiden Umgebungsmedien zeigt sich bis zu 109 Lastspielen keine Dauerfestigkeit. Die Magnesium-Druckguslegierungen haben in Salzwasser-Spruhnebel keine Dauerfestigkeit, wahrend in Raumluft eine Dauerfestigkeitsspannung gefunden wurde. Die Lebensdauerlinien verlaufen in Raumluft etwa parallel zu den Wohlerkurven, im korrosiven Medium hingegen steiler. Ursache fur die Abnahme der Wechselfestigkeit im korrosiven Medium sind beschleunigte Anrisbildung und hohere Riswachstumsgeschwindigkeit. Materialfehler konnen sowohl in Raumluft, als auch in Salzwasser-Spruhnebel zu stark streuenden Schwingfestigkeiten fuhren. In Salzwasser-Spruhnebel bilden sich bei hohen Lastspielzahlen an der Oberflache beider Leichtmetallegierungen Korrosionslocher, an welchen die Anrisbildung erfolgt. Corrosion fatigue of cast aluminium- and cast magnesium alloys The fatigue properties of the aluminium cast alloys AlSi7Mg and AlSi10Mg, magnesium high pressure die-cast AZ91 hp and AM60 hp, as well as low-pressure permanent mould casting AZ91 hp were determined at numbers of cycles to failure between 105 and 109 in ambient air and in saltwater spray. The investigations were performed at constant amplitudes and in addition at varying load amplitudes for aluminium cast alloy AlSi10Mg and low-pressure permanent mould casting AZ91 hp with a high-frequency testing facility (20 kHz ultrasound). The SN-curves of the aluminium cast alloys and of the magnesium low-pressure permanent mould casting are steeper in corrosive environment than in laboratory air. No endurance limit could be detected up to 109 cycles in both environments. The magnesium high pressure die-cast alloys do not have an endurance limit in saltwater spray, whereas an endurance limit could be detected in laboratory air. The life time curves for in-service loading conditions are about parallel to the SN-curves for ambient air, but steeper for corrosive environment. The reason for the reduced fatigue properties in corrosive environment are accelerated crack initiation and higher crack propagation rates. Material defects may lead to a large scatter of the fatigue data for testing in air as well as in saltwater spray. Corrosion pits are formed on the surface of both light-weight alloys at higher number of cycles. They become crack initiation sites.

Langsames Ermüdungsrisswachstum in Aluminium‐ und Magnesiumgusslegierungen in Raumluft und in Vakuum

Die Arbeit beschaftigt sich mit dem Einfluss des Umgebungsmediums Raumluft auf das sehr langsame Ermudungsrisswachstum in den druckgegossenen Magnesiumlegierungen AZ91 hp, AM60 hp und AS21 hp und in der druckgegossenen Aluminiumlegierung AlSi9Cu3. Die bei einer Beanspruchungsfrequenz von 20 kHz gemessenen Rissausbreitungskurven in Raumluft und Vakuum unterscheiden sich im Schwellwertbereich deutlich. Der Schwellwert der Aluminiumlegierung liegt in Vakuum 30% hoher als in Raumluft, und die Schwellwerte der Magnesiumlegierungen liegen bis zu 85% hoher. Die in der Raumluft enthaltene Luftfeuchtigkeit ist masgeblich fur die Beschleunigung des Risswachstums, wobei ein Einfluss bei AlSi9Cu3 bis zu Risswachstumsgeschwindigkeiten von 1–3 × 10−9 m/Lastspiel und bei den Magnesiumlegierungen bis zu 2–5 × 10−8 m/Lastspiel gefunden wird. In Raumluft wachsen Ermudungsrisse mit einer Wachstumsgeschwindigkeit von mindestens 5 × 10−11 − 2 × 10−10 m/Lastspiel, wahrend in Vakuum auch wesentlich niedrigere Wachstumsraten gefunden wurden. Slow fatigue crack growth in aluminium and magnesium cast alloys in ambient air and in a vacuum The influence of ambient air on near threshold fatigue crack growth in the magnesium cast alloys AZ91 hp, AM60 hp and AS21 hp and in the aluminium cast alloy AlSi9Cu3 has been investigated. Fatigue crack growth properties at a cycling frequency of 20 kHz in ambient air and in a vacuum are significantly different. In a vacuum, the threshold stress intensity amplitude of the aluminium alloy is 30% higher than in ambient air, and the threshold values of the magnesium alloys in a vacuum are up to 85% higher than in ambient air. Moisture of ambient air is responsible for accelerated crack growth at growth rates below 1–3 × 10−9 m/cycle (AlSi9Cu3) and 2–5 × 10−8 m/cycle (magnesium alloys), respectively. In ambient air a minimum crack growth rate of 5 × 10−11 − 2 × 10−10 m/cycle was observed, whereas far lower minimum growth rates were found in a vacuum.

Einfluss von Gussfehlern auf die Dauerfestigkeit von Aluminium- und Magnesiumgusslegierungen

Der Einfluss von Porositat (Gasporen und Lunker) auf das Ermudungsverhalten bei sehr hohen Lastspielzahlen wird fur die Legierungen AZ91 hp, AM60 hp, AE42 hp, AS21 hp und AlSi9Cu3 im druckgegossenen Zustand beschrieben. Ermudungsversuche bei Ultraschallfrequenz bis zu Lastspielzahlen von 109 zeigen, dass diese Legierungen als Druckguss eine Dauerfestigkeit haben. Die mittlere Dauerfestigkeit (Bruchwahrscheinlichkeit 50%) der Magnesiumlegierungen liegt zwischen 38 und 50 MPa und jene der Aluminiumlegierung bei 75 MPa. Ermudungsbruche werden an porosen Stellen eingeleitet, und ob eine Probe bricht oder nicht ist von der Spannungsamplitude, sowie der Querschnittsflache und der Lage des Defektes innerhalb des beanspruchten Volumens abhangig. Unter der Annahme, dass Porositat einem Anriss entspricht, konnen kritische Spannungsintensitatsfaktoren (Kcr) fur das Wachstum des Ermudungsrisses bis zum Bruch gefunden werden. Kcr fur die Magnesiumlegierungen liegt zwischen 0,80 und 1,05 MPa√m und fur AlSi9Cu3 bei 1,80 MPa√m. Mit Kcr kann die Wahrscheinlichkeit fur das Auftreten verschiedener Defektgrosen mit der Bruchwahrscheinlichkeit bei verschiedenen Spannungen korreliert werden. Auserdem sind Vorhersagen auf Basis von Kcr uber den Einfluss von seltenen, grosen Fehlstellen auf die Dauerfestigkeit moglich. Influence of casting defects on the endurance limit of aluminium and magnesium cast alloys The influence of porosity (voids and shrinkage) on the fatigue properties at very high numbers of cycles is shown for the alloys AZ91 hp, AM60 hp, AE42 hp, AS21 hp and AlSi9Cu3 produced by high pressure die casting. Fatigue tests performed with ultrasonic equipment up to 109 cycles show that these alloys exhibit a fatigue limit. The mean endurance limits (50% failure probability) of the magnesium alloys are 8–50 MPa and of the aluminium alloy 75 MPa. Fatigue cracks initiate at porosity, and whether a specimen fractures or not depends on the stress amplitude and the area and the site of the defect. Regarding the cast defect as an initial crack, a critical stress intensity value (Kcr) may be found to propagate a crack until final failure. Kcr of the magnesium alloys is 0,80–1,05 MPa√m, and 1,80 MPa√m was found for AlSi9Cu3. Using Kcr it is possible to correlate the probability of different defect sizes and the failure probability at different stress amplitudes. Additionally, predictions of the influence of rare large casting defects on the endurance limit are possible.