Einfluss von Defekten auf die Streuung der Lebensdauer in einer Lost Foam gegossenen Al-Si-Legierung unter thermomechanischer Ermüdung

Abstract

In Al-Si-Zylinderköpfen führen Start-Stopp-Zyklen zur thermomechanischen Ermüdung (TMF), die mit der Initiierung und dem Wachstum von Rissen in den kritischen Bereichen im Brennraumdach einhergeht. Ein großes Problem ist die starke Streuung der resultierenden Lebensdauer. Die in dieser Arbeit untersuchten Zylinderköpfe wurden mit dem Lost Foam Gießverfahren gefertigt. Durch die prozessbedingt niedrigen Abkühlraten enthält der Werkstoff eine hohe Anzahl an ausgedehnten und scharfkantigen Poren. Diese Defekte haben bei zyklischer Beanspruchung einen entscheidenden Einfluss auf die Rissinitiierung und das Risswachstum und damit auf die Lebensdauer. In der Arbeit wurden einachsige TMF-Versuche an Proben durchgeführt, die aus dem thermomechanisch kritisch beanspruchten Bereich der Zylinderköpfe entnommen wurden. Zur Ermittlung der Streuung der Anfangsrisslänge wurde eine Methode entwickelt, die auf der Detektion von Poren mit Hilfe der Mikrocomputertomographie (μCT) beruht. In Verbindung mit rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen der Bruchflächen wurden die Poren im primären Rissausgang und die maßgeblichen Kriterien für die Rissinitiierung identifiziert. Ein in dieser Arbeit entwickeltes Programm ermöglicht die rechnerische Lokalisierung des primären Rissausgangs auf Basis von μCT-Daten unter Berücksichtigung der experimentell ermittelten Kriterien für die Rissinitiierung. Die Streuung der elastisch-plastischen Rissfortschrittsrate wurde durch einachsige TMF-Rissfortschrittsversuche ermittelt. Auf der Grundlage der experimentellen Ergebnisse wurde eine neue Methode zur Abschätzung der Streuung der Lebensdauer von thermomechanisch beanspruchten Zylinderköpfen aus der Streuung der Defektverteilung im Werkstoff entwickelt. Dazu wurde ein bruchmechanisches Lebensdauermodell verwendet, das die Streuung der Lebensdauer aus der Streuung der Anfangsrisslänge und der Rissfortschrittsrate abschätzt. Die Berechnungsergebnisse zeigen sowohl für die Lebensdauer als auch für die Streuung der Lebensdauer eine sehr gute Übereinstimmung mit den Versuchsergebnissen. Durch die Verknüpfung der μCT zur Detektion der Poren im Werkstoff mit der entwickelten Lebensdauerabschätzungsmethodik wird eine zerstörungsfreie Qualitätssicherung ermöglicht, die negative Auswirkungen der Werkstoffqualität auf die Lebensdauer im Serienprozess frühzeitig erkennt.

In Al-Si cylinder heads, start-stop cycles lead to thermomechanical fatigue (TMF), which is accompanied by the initiation and growth of cracks in the critical web regions. A major issue is the high scatter of the resulting lifetime. The cylinder heads investigated in the framework of this study were manufactured by the lost foam casting process. Due to the low cooling rates caused by the process, the material contains a high number of large and sharp-edged pores. Under cyclic loading, these defects have a significant influence on crack initiation and growth and thus on the lifetime. During the work, uniaxial TMF tests were performed on specimens extracted from the thermomechanically critically loaded region of the cylinder heads. For the determination of the scatter of the initial crack length a method based on the detection of pores using microcomputer tomography (μCT) was developed. In combination with scanning electron microscopy of the fracture surfaces, the pores in the primary crack origin and the relevant criteria for crack initiation were identified. A program developed in this work enables the computational localization of the primary crack origin from the μCT data. The program contains the identified crack initiation criteria. The scatter of the elastic-plastic crack propagation rate was determined by uniaxial TMF crack propagation tests. On the basis of the experimentally obtained results, a new method was developed for the assessment of the lifetime scatter of thermomechanically loaded cylinder heads based on the scatter of defects within the material. For this purpose, a lifetime model based on fracture mechanics was used. This model estimates the lifetime scatter from the scatter of the initial crack length and the crack propagation rate. The deviation between the calculation and test results is quite small for both the lifetime and lifetime scatter. The combination of the μCT for the detection of pores within the material and the lifetime assessment method developed enables a non-destructive quality assurance. In the series process, negative effects of the material quality on the lifetime can be identified at an early stage.