Mehraxiale Plastizität in texturierten Magnesiumstrukturen

Magnesiumlegierungen sind wegen ihres hohen Festigkeits-/Gewichtsverhältnisses und ihrer wirtschaftlichen Herstellung von besonderer Bedeutung für den Leichtbau. Die Konstruktion von Magnesiumbauteilen beruht auf dem Verständnis, wie sich die Legierung unter verschiedenen Belastungen verhält. Es sind eingehende Untersuchungen erforderlich, um mechanische Tests, wie Zug-, Druck- und Schubversuche mit Verformungsmechanismen auf mikrostruktureller Ebene zu korrelieren. Die hexagonale Atomstruktur von Magnesium führt zu einem komplexen Verformungsverhalten unter Belastung. Magnesiumbleche, die einer einachsigen Druckbeanspruchung ausgesetzt sind, verformen sich durch die Bildung und das Wachstum von Bändern mit kristallinen Defekten, die als Zwillinge bezeichnet werden. Diese Bänder haben einen großen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften und spielen eine bedeutende Rolle bei der Verfestigung und der Rissentstehung. Aktuelle Modelle berücksichtigen diese Dehnungsverteilungen nicht. Auch das biaxiale Druckverformungsverhalten wird aufgrund der Komplikationen bei der Durchführung solcher Tests derzeit nicht quantifiziert. Dieses Forschungsprojekt zielt darauf ab, die Beziehung zwischen mikrostruktureller Verformung und makroskopischem Verhalten der Magnesiumlegierung AZ31B durch eine Reihe komplexer Tests (einschließlich multiaxialer Druckverformung, Schubverformung und Nanoindentation) und modernste Mikrostrukturanalyse zu charakterisieren. Besonderes Augenmerk wird auf die Initiierung, das Wachstum und die Verteilung von Zwillingen, ihre Wechselwirkung mit anderen Defekten wie Korngrenzen und Ausscheidungen sowie ihre Rolle beiderBruchinitiierung gelegt.Das neue Transmissionselektronenmikroskop JEOL JEM-F200 an der Paris-Lodron-Universität Salzburg (PLUS) wird eingesetzt, um die frühesten Stadien der Verformung auf atomarer Ebene aufzuzeigen. Um das Verformungsverhalten auf der mikrostrukturellen Ebene zu untersuchen werden in situ ein- und zweiaxiale Druckversuche in einem Rasterelektronenmikroskop durchgeführt. Biaxiale statische und zyklische Versuche mit kreuzförmigen Proben werden an der Hochschule Landshut durchgeführt um das Verformungs- und Ermüdungsverhalten auf der makroskopischen Ebene zu analysieren. Ergebnisse dieser Tests werden zur Entwicklung eines elastoplastischen Stoffgesetzes für die Finite-Elemente-Methode verwendet, um makroskopische Spannungs- und Dehnungsfelder zu berechnen und ein Ermüdungsmodell für zyklische biaxiale Beanspruchungen zu entwickeln. Die mikrostrukturelle Analyse wird am Fachbereich Chemie und Physik der Materialien der PLUS von Dr. Whitmore, einem erfahrenen Mikrostrukturwissenschaftler und Mikroskopiker, durchgeführt, während die Tests hauptsächlich am Kompetenzzentrum für Leichtbau der Hochschule Landshut von Prof. Huber, einem international anerkannten Forscher auf dem Gebiet der Werkstoffmodellierung und des Leichtbaus, und Prof. Saage, einem erfahrenen Werkstoffwissenschaftler, durchgeführt werden.

Dieses dreijährige Grundlagenforschungsprojekt, das vom Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF, Project number: I-4782) in Zusammenarbeit mit der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG, Projektnr.: 438040004) gefördert wurde, war eine internationale Kooperation zwischen der Paris Lodron Universität Salzburg (PLUS) und der Hochschule Landshut (HAWL). Ziel des Projekts war es, die Mechanismen der mikrostrukturellen und makroskopischen Verformung für die Magnesiumlegierung AZ31B unter einachsigem Druck, reiner Scherung und biaxialem Druck und Zug zu untersuchen. Der Projektleiter Dr. Lawrence Whitmore an der PLUS arbeitete eng mit seinen Kollegen Professor Dr. Otto Huber und dem Doktoranden Anton Nischler an der HAWL zusammen, um mechanische Tests mit modernsten In-situ-Analysemethoden zu entwickeln und durchzuführen. Alle Metalle verformen sich plastisch, wenn die angelegte Spannung die Elastizitätsgrenze überschreitet, aber nicht alle Metalle verformen sich auf die gleiche Weise. Bei Magnesium, einem Leichtmetall, das in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet wird, ist die Verformung aufgrund der hexagonalen Kristallstruktur kompliziert. Durch die in situ Verformung von Magnesium in einem Elektronenmikroskop unter Verwendung einer speziell entwickelten mechanischen Prüfvorrichtung war es möglich, die plastische Verformung im Mikrometerbereich in Echtzeit zu beobachten, während die Belastung erhöht wurde. Es bildeten sich Bänder mit elastischer Dehnung innerhalb und über mehrere Körner hinweg, und mit zunehmender Belastung wandelten sich einzelne Körner durch Verformungszwillinge zu Bändern plastischer Verformung um, die an der Oberfläche sichtbar wurden. Die Zwillinge bildeten sich in Bereichen, in denen die Druckspannung am größten war, und waren senkrecht zum Druckspannungsvektor ausgerichtet. Die im Rahmen des Projekts gewonnenen neuen Erkenntnisse tragen zur Wissensbasis der wissenschaftlichen Gemeinschaft bei. Es wurden auch empirische Daten für die Entwicklung eines elasto-plastischen Stoffgesetzes für die Finite Elemente Methode (FEM) ermittelt. Dieses kontinuumsmechanische Stoffgesetz wurde an der HAWL entwickelt und ermöglicht das anisotrope und asymmetrische Fließverhalten von texturierten Magnesiumlegierungen bei beliebigen Spannungszuständen zu simulieren. Es wurde eine neue Methode zur Vorbereitung von Magnesiumoberflächen entwickelt, die nicht zu Korrosion führt. Diese wurde für die hochauflösenden Studien der Verformungsstrukturen verwendet. Es wurden zwei Druckstützen für uni- und biaxiale Druckversuche entwickelt. Außerdem wurde eine Reihe von 3D-gedruckten Werkzeugen für die Herstellung hochwertiger Proben entwickelt. Diese Werkzeuge demonstrieren ein neues "nachhaltiges" Paradigma in der Wissenschaft, bei dem Forscher Entwürfe für Werkzeuge und Geräte aus der Cloud herunterladen, sie für individuelle Experimente modifizieren und diese vor Ort mit 3D Kunststoff- oder Metalldruckern fertigen können. Das Projekt hat wichtige neue Ergebnisse erbracht, die zur Entwicklung ressourceneffizienterer Fahrzeuge beitragen können. Mit 10 Veröffentlichungen in peer-review Zeitschriften und Tagungsbänden sowie neuen Ideen und Werkzeugen wurden Beiträge geleistet, um die Nachhaltigkeit in der Wissenschaft und Praxis zu verbessern. Weitere Informationen über das Forschungsprojekt finden Sie hier: https://www.plus.ac.at/chemie-und-physik-der-materialien/projects/dma