Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMHochfeste Aluminiumlegierungen wie EN AW-7075 bieten ein großes Leichtbaupotenzial – jedoch geht bei diesen Legierungen eine höhere Festigkeit oft mit einer geringeren Ermüdungsfestigkeit einher. Ursache hierfür können ausscheidungsfreie Säume (PFZ) an Korngrenzen sein, die als „metallurgische Kerben" Risse initiierend wirken können. Das Projekt kombiniert eine gezielte thermomechanische PFZ-Einstellung über mehrere Korngrößendekaden mit mikromechanischen In-situ-Ermüdungsversuchen und probabilistischer 3D-Simulation des Kurzrisswachstums. Ziel ist es, den Trade-Off zwischen statischer Festigkeit und Ermüdungsfestigkeit durch ein optimiertes Mikrostrukturdesign aufzulösen. Für Hersteller von Leichtbaukomponenten eröffnet das die Perspektive auf Aluminiumbauteile, die gleichzeitig hochfest und ermüdungsbeständig sind.
Einfluss ausscheidungsfreier Säume in Relation zu anderen mikrostrukturellen Parametern auf das Kurzrisswachstum in der hochfesten Aluminiumlegierung EN AW-7075
Laufendes Forschungsprojekt
Projektbeschreibung
Marktbedarf und Herausforderungen
Hochfeste Aluminiumlegierungen der 7xxx-Serie (insbesondere EN AW-7075) sind aufgrund ihrer hervorragenden spezifischen Festigkeit Schlüsselwerkstoffe für den Leichtbau in Luftfahrt, Automobilbau, Sportgeräten und sicherheitskritischen Verbindungselementen. Allerdings zeigen diese Legierungen ein gegenläufiges Verhalten: Während die statische Festigkeit durch Ausscheidungshärtung gezielt gesteigert werden kann, sinkt gleichzeitig die Ermüdungsfestigkeit im HCF-Bereich. Ursache sind ausscheidungsfreie Säume (Precipitate Free Zones, PFZ) entlang der Korngrenzen, die als lokale Schwachstellen wirken und bevorzugte Orte der Rissinitiierung und des interkristallinen Risswachstums darstellen. Dieser fundamentale Trade-Off zwischen statischer und zyklischer Festigkeit begrenzt das Leichtbaupotenzial und erzwingt konservative Auslegungen mit hohen Sicherheitsfaktoren – ein wirtschaftlicher und ökologischer Nachteil bei der Herstellung von Bauteilen.
Lösungsansatz des Projekts
Das Projekt verfolgt einen systematischen Ansatz zur gezielten Einstellung und Variation von PFZ durch unkonventionelle thermomechanische Behandlungen (Tieftemperatur-ECAP, angepasste Wärmebehandlungen mit kontrollierten Aufheizraten). Dabei werden Korngrößen über drei Dekaden variiert (1 µm – 10 µm – 100 µm) und jeweils drei Auslagerungszustände (T61, T6, T73) eingestellt. Das Ermüdungsverhalten wird sowohl makroskopisch als auch in mikromechanischen In-situ-Experimenten charakterisiert, die eine direkte Beobachtung der Kurzrissbildung und -ausbreitung ermöglichen. Parallel wird ein dreidimensionales probabilistisches Kornstrukturmodell mit Kohäsivzonen entwickelt, das die Konkurrenz zwischen interkristallinem und transkristallinem Risswachstum in Abhängigkeit von PFZ-Geometrie, Korngröße und Orientierung simuliert.
Beitrag zur Bewältigung der Herausforderungen
Das Projekt liefert erstmals ein quantitatives Verständnis dafür, unter welchen Bedingungen der Trade-Off zwischen statischer und Ermüdungsfestigkeit durch gezieltes PFZ-Design aufgelöst werden kann. Die Kombination aus experimenteller Aufklärung der Schädigungsmechanismen und validierter numerischer Vorhersage ermöglicht perspektivisch die Entwicklung optimierter Wärmebehandlungsstrategien für hochfeste Aluminiumlegierungen. Damit können Leichtbaukomponenten künftig sowohl mit hoher statischer Festigkeit als auch mit ausreichender Ermüdungsbeständigkeit ausgelegt werden – ein direkter Beitrag zur Ressourceneffizienz und Gewichtsreduktion in der Mobilität.
Die Arbeitspakete des Fraunhofer IWM:
Das Fraunhofer IWM schafft im Projekt die experimentelle, simulationstechnische und wissenschaftliche Grundlage, um den Einfluss der ausscheidungsfreien Säume (PFZ) auf das Ermüdungsverhalten von Aluminiumlegierungen quantitativ, mikrostrukturaufgelöst und statistisch abgesichert zu beschreiben – von der einzelnen Korngrenze bis zur probabilistischen Lebensdauervorhersage.
Datensatz zu Rissinitiierung und Kurzrisswachstum in Abhängigkeit von der PFZ-Ausprägung
Das Fraunhofer IWM erzeugt einen experimentellen Datensatz, der makroskopische Ermüdungskennwerte (mind. 120 Versuche) und direkt beobachtete Mechanismen der Rissinitiierung des Kurzrisswachstums auf der Mikroskala (mind. 30 In-situ-Mikroversuche) quantitativ miteinander verknüpft. Das Ergebnis ist eine experimentell belegte, ortsaufgelöste Beschreibung des Schädigungsablaufs – insbesondere des Verhältnisses von inter- zu transkristallinem Risswachstum – in direkter Abhängigkeit von der lokalen PFZ-Ausprägung.
Probabilistisches 3D-Kurzrisswachstumsmodell, das statistische Lebensdauerverteilungen direkt aus der Mikrostruktur vorhersagt
Das Fraunhofer IWM entwickelt ein dreidimensionales, physikbasiertes Simulationsmodell, das den Einfluss von PFZ-Breite, Korngröße, Textur und Spannungsmehrachsigkeit auf das Kurzrisswachstum und seine statistische Streuung quantitativ beschreibt. Das Modell liefert als zentrales Ergebnis validierte statistische Lebensdauerverteilungen, die unmittelbar aus mikrostrukturellen Eingangsgrößen abgeleitet werden.
Bewertung der Möglichkeiten und Grenzen des PFZ-Designs als Stellgröße für die Ermüdungsoptimierung
Gemeinsam mit der TU Chemnitz erarbeitet das Fraunhofer IWM an einer Methode die eine belastbare, auf mehrere Orientierungen und Texturzustände abgestützte Aussage darüber liefert, welche Möglichkeiten das gezielte PFZ-Design für die Ermüdungsoptimierung bietet, wo seine Grenzen liegen und inwieweit die Erkenntnisse auf andere Legierungssysteme übertragbar ist.
Auf der Grundlage der Projektergebnisse kann das Fraunhofer IWM Industrieunternehmen folgende Forschungs- und Entwicklungsleistungen anbieten:
1. Probabilistische Lebensdauerprognose für die Kurzrisswachstumsphase
Das Fraunhofer IWM erstellt für kundenspezifische Legierungen und Wärmebehandlungszustände quantitative Prognosen der Kurzrisswachstumsphase – inklusive ihrer statistischen Streuung – auf Basis physikbasierter, experimentell validierter Simulationsmodelle.
2. Mikromechanische In-situ-Ermüdungscharakterisierung mit direkter Beobachtung des Kurzrisswachstums
Das Fraunhofer IWM klärt die Ermüdungsschädigungsmechanismen kundenspezifischer Werkstoffzustände auf Mikrostrukturebene auf – mit direkter optischer Beobachtung von Rissinitiierung und Kurzrisswachstum während des laufenden Versuchs.
3. Virtuelle Mikrostrukturgenerierung und numerische Parameterstudien zum Kornstruktureinfluss
Das Fraunhofer IWM führt für kundenspezifische Korngrößen, Texturen und Kornmorphologien dreidimensionale Simulationen durch und quantifiziert deren Einfluss auf das Kurzrisswachstum – virtuell, schnell und begrenztem experimentellem Aufwand.
4. Übertragung des probabilistischen Modellierungsansatzes auf weitere Legierungssysteme
Der am Fraunhofer IWM entwickelte probabilistische Simulationsansatz für mikrostrukturgetriebenes Ermüdungsversagen ist nicht auf ein einzelnes Materialsystem beschränkt: Er kann auf weitere ausscheidungshärtbare Aluminiumlegierungen (2xxx, 6xxx) sowie Nickel-Basis-Legierungen angepasst, kalibriert und validiert werden.
