Optimierung von bruchmechanischen Kennwerten bei Aluminiumlegierungen für die Luftfahrtindustrie

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Optimierung von bruchmechanischen Kennwerten bei Aluminiumlegierungen für die Luftfahrtindustrie. / Berneder, Josef.

2012. 135 S.

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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title = "Optimierung von bruchmechanischen Kennwerten bei Aluminiumlegierungen f{\"u}r die Luftfahrtindustrie",
abstract = "Flugzeuge werden bei jedem Flug zyklisch beansprucht, da die Kabine wiederholt mit Druck beaufschlagt und wieder entlastet wird. Kommerzielle Flieger erfahren w{\"a}hrend ihrer Lebenszeit bis zu 100.000 solcher Lastzyklen. In vielen Bauteilen ist daher der Widerstand gegen Rissausbreitung unter statischen und dynamischen Belastungen von gro{\ss}er Bedeutung. Wegen der attraktiven Kombination aus hoher Festigkeit und guten schadenstoleranten Eigenschaften ist die Aluminiumlegierung AA2024 der wichtigste Blechwerkstoff f{\"u}r Anwendungen im Flugzeugbau. Allerdings ist dieser Werkstoff f{\"u}r lokalen Korrosionsangriff wie Lochfra{\ss} und interkristalline Korrosion (IK) anf{\"a}llig. Diese ist ein Angriff entlang den Korngrenzen oder in den angrenzenden Bereichen, w{\"a}hrend die Kornmatrix weitgehend unbeeinflusst bleibt. Die IK-Best{\"a}ndigkeit wird weitgehend durch den Abk{\"u}hlgradienten bei der Abschreckung auf Raumtemperatur nach der L{\"o}sungsgl{\"u}hung und durch die Korngr{\"o}{\ss}e und -form bestimmt. Ziel dieser Arbeit war es, die wesentlichen Prozessparameter in der Fertigung von AA2024-T3 zu identifizieren, welche f{\"u}r gute schadenstolerante Eigenschaften verantwortlich sind. Es erfolgte die Herstellung von Blechen aus AA2024-T3 mit unterschiedlicher Korngr{\"o}{\ss}e und -form im industriellen Ma{\ss}stab. Es zeigte sich dabei ein gro{\ss}er Unterschied in der IK-Best{\"a}ndigkeit und auch im Risswachstumsverhalten zwischen globularen Feinkorn und in Walzrichtung gestrecktem Grobkornmaterial. Die Sekund{\"a}rausscheidungen, gebildet an den Korngrenzen nach dem L{\"o}sungsgl{\"u}hen und Wasserabschrecken, wurden mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Durch den Einsatz von thermodynamischen Berechnungen konnte die chemische Zusammensetzung innerhalb der AA2024-Legierungstoleranzen hinsichtlich schadenstoleranter Materialeigenschaften optimiert werden. Der W{\"a}rmebehandlungszyklus der Walzbarrenhomogenisierung wurde dahingehend verbessert, dass ein maximaler Anteil der l{\"o}sbaren intermetallischen Ausscheidungen im Mischkristall aufgel{\"o}st wird. Die adaptierte chemische Zusammensetzung in Kombination mit der verbesserten Homogenisierung f{\"u}hrte zu einem signifikanten Anstieg der Z{\"a}higkeit ohne Verschlechterung der statischen mechanischen Eigenschaften. Weiteres konnte gezeigt werden, dass durch {\"A}nderung der Korngr{\"o}{\ss}e und -form die Risswachstumsgeschwindigkeit von AA2024-T3-Blechen weiter verringert werden kann. All diese Ma{\ss}nahmen tragen zu einer erh{\"o}hten Betriebssicherheit in der Anwendung von Flugzeugkomponenten, gefertigt aus Aluminiumlegierung AA2024, bei.",
keywords = "AA2024, Aluminium, Risswachstum, Bruchz{\"a}higkeit, Homogenisierung, Flugzeug, interkristalline Korrosion (IK), thermodynamische Berechnung, Korngr{\"o}{\ss}e, TEM, AA2024, Aluminium, fatigue crack growth, fracture toughness, Homogenization, aircraft, intergranular corrosion (IGC), thermodynamic calculation, grain size, TEM",
author = "Josef Berneder",
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year = "2012",
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TY - THES

T1 - Optimierung von bruchmechanischen Kennwerten bei Aluminiumlegierungen für die Luftfahrtindustrie

AU - Berneder, Josef

N1 - gesperrt bis null

PY - 2012

Y1 - 2012

N2 - Flugzeuge werden bei jedem Flug zyklisch beansprucht, da die Kabine wiederholt mit Druck beaufschlagt und wieder entlastet wird. Kommerzielle Flieger erfahren während ihrer Lebenszeit bis zu 100.000 solcher Lastzyklen. In vielen Bauteilen ist daher der Widerstand gegen Rissausbreitung unter statischen und dynamischen Belastungen von großer Bedeutung. Wegen der attraktiven Kombination aus hoher Festigkeit und guten schadenstoleranten Eigenschaften ist die Aluminiumlegierung AA2024 der wichtigste Blechwerkstoff für Anwendungen im Flugzeugbau. Allerdings ist dieser Werkstoff für lokalen Korrosionsangriff wie Lochfraß und interkristalline Korrosion (IK) anfällig. Diese ist ein Angriff entlang den Korngrenzen oder in den angrenzenden Bereichen, während die Kornmatrix weitgehend unbeeinflusst bleibt. Die IK-Beständigkeit wird weitgehend durch den Abkühlgradienten bei der Abschreckung auf Raumtemperatur nach der Lösungsglühung und durch die Korngröße und -form bestimmt. Ziel dieser Arbeit war es, die wesentlichen Prozessparameter in der Fertigung von AA2024-T3 zu identifizieren, welche für gute schadenstolerante Eigenschaften verantwortlich sind. Es erfolgte die Herstellung von Blechen aus AA2024-T3 mit unterschiedlicher Korngröße und -form im industriellen Maßstab. Es zeigte sich dabei ein großer Unterschied in der IK-Beständigkeit und auch im Risswachstumsverhalten zwischen globularen Feinkorn und in Walzrichtung gestrecktem Grobkornmaterial. Die Sekundärausscheidungen, gebildet an den Korngrenzen nach dem Lösungsglühen und Wasserabschrecken, wurden mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Durch den Einsatz von thermodynamischen Berechnungen konnte die chemische Zusammensetzung innerhalb der AA2024-Legierungstoleranzen hinsichtlich schadenstoleranter Materialeigenschaften optimiert werden. Der Wärmebehandlungszyklus der Walzbarrenhomogenisierung wurde dahingehend verbessert, dass ein maximaler Anteil der lösbaren intermetallischen Ausscheidungen im Mischkristall aufgelöst wird. Die adaptierte chemische Zusammensetzung in Kombination mit der verbesserten Homogenisierung führte zu einem signifikanten Anstieg der Zähigkeit ohne Verschlechterung der statischen mechanischen Eigenschaften. Weiteres konnte gezeigt werden, dass durch Änderung der Korngröße und -form die Risswachstumsgeschwindigkeit von AA2024-T3-Blechen weiter verringert werden kann. All diese Maßnahmen tragen zu einer erhöhten Betriebssicherheit in der Anwendung von Flugzeugkomponenten, gefertigt aus Aluminiumlegierung AA2024, bei.

AB - Flugzeuge werden bei jedem Flug zyklisch beansprucht, da die Kabine wiederholt mit Druck beaufschlagt und wieder entlastet wird. Kommerzielle Flieger erfahren während ihrer Lebenszeit bis zu 100.000 solcher Lastzyklen. In vielen Bauteilen ist daher der Widerstand gegen Rissausbreitung unter statischen und dynamischen Belastungen von großer Bedeutung. Wegen der attraktiven Kombination aus hoher Festigkeit und guten schadenstoleranten Eigenschaften ist die Aluminiumlegierung AA2024 der wichtigste Blechwerkstoff für Anwendungen im Flugzeugbau. Allerdings ist dieser Werkstoff für lokalen Korrosionsangriff wie Lochfraß und interkristalline Korrosion (IK) anfällig. Diese ist ein Angriff entlang den Korngrenzen oder in den angrenzenden Bereichen, während die Kornmatrix weitgehend unbeeinflusst bleibt. Die IK-Beständigkeit wird weitgehend durch den Abkühlgradienten bei der Abschreckung auf Raumtemperatur nach der Lösungsglühung und durch die Korngröße und -form bestimmt. Ziel dieser Arbeit war es, die wesentlichen Prozessparameter in der Fertigung von AA2024-T3 zu identifizieren, welche für gute schadenstolerante Eigenschaften verantwortlich sind. Es erfolgte die Herstellung von Blechen aus AA2024-T3 mit unterschiedlicher Korngröße und -form im industriellen Maßstab. Es zeigte sich dabei ein großer Unterschied in der IK-Beständigkeit und auch im Risswachstumsverhalten zwischen globularen Feinkorn und in Walzrichtung gestrecktem Grobkornmaterial. Die Sekundärausscheidungen, gebildet an den Korngrenzen nach dem Lösungsglühen und Wasserabschrecken, wurden mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Durch den Einsatz von thermodynamischen Berechnungen konnte die chemische Zusammensetzung innerhalb der AA2024-Legierungstoleranzen hinsichtlich schadenstoleranter Materialeigenschaften optimiert werden. Der Wärmebehandlungszyklus der Walzbarrenhomogenisierung wurde dahingehend verbessert, dass ein maximaler Anteil der lösbaren intermetallischen Ausscheidungen im Mischkristall aufgelöst wird. Die adaptierte chemische Zusammensetzung in Kombination mit der verbesserten Homogenisierung führte zu einem signifikanten Anstieg der Zähigkeit ohne Verschlechterung der statischen mechanischen Eigenschaften. Weiteres konnte gezeigt werden, dass durch Änderung der Korngröße und -form die Risswachstumsgeschwindigkeit von AA2024-T3-Blechen weiter verringert werden kann. All diese Maßnahmen tragen zu einer erhöhten Betriebssicherheit in der Anwendung von Flugzeugkomponenten, gefertigt aus Aluminiumlegierung AA2024, bei.

KW - AA2024

KW - Aluminium

KW - Risswachstum

KW - Bruchzähigkeit

KW - Homogenisierung

KW - Flugzeug

KW - interkristalline Korrosion (IK)

KW - thermodynamische Berechnung

KW - Korngröße

KW - TEM

KW - AA2024

KW - Aluminium

KW - fatigue crack growth

KW - fracture toughness

KW - Homogenization

KW - aircraft

KW - intergranular corrosion (IGC)

KW - thermodynamic calculation

KW - grain size

KW - TEM

M3 - Dissertation

ER -