Vor dem Hintergrund des steigenden Leistungsniveaus, der Reduzierung von Emissionen, der sinkenden Motorengewichte, der Einschränkung der Gestaltungsfreiheit sowie der zunehmenden thermischen und mechanischen Belastungen bei der Motorenentwicklung für den Automobilbereich sind die derzeit vorhandenen Werkstoffe vielfach bis in den Grenzbereich optimiert. Um auch in Zukunft den Anforderungen der Politik und Kunden gerecht zu werden, wurden im Rahmen dieser Arbeit neue Legierungen durch die Zugabe von unterschiedlichen Elementen mit differenzierenden Gehalten bei den Legierungessystemen AlMgSi, AlSi6Cu4, AlSi10Ni3 und AlCu5Mn zusammengestellt und systematisch untersucht. Neben der Bestimmung der mechanischen, gießtechnologischen und physikalischen Eigenschaften erfolgte auch eine metallkundliche Untersuchung. Als Vergleich der gewonnenen Ergebnisse diente die Legierung AlSi7Mg. Das ausgeglichenste und beste Eigenschaftsniveau, welches besonders durch eine wesentliche Steigerung der mechanischen Eigenschaften nach thermischer Belastung bei unterschiedlichen Temperaturen hervorgerufen wurde, wiesen die Legierungen AlMg3Si1VScZr, AlMg5Si3VScZr und AlCu5MnNiCe auf, welche in naher Zukunft für Vorserienabgüsse und Motorenprüfstandsläufe verwendet werden sollen.

Beim fallenden Vollformguss mit Aluminiumlegierungen existiert wegen der vergleichsweise zu Gusseisen niedrigen Gießtemperatur, nahezu kein Gasspalt zwischen der Schmelze und dem Schaumstoffmodell. Durch die Variierung der Schmelzezufuhr konnten Vorteile des fallenden Vollformgießens gegenüber dem steigenden Vollformgießen verdeutlicht werden. Außer wirtschaftlichen Vorteilen erfordert das fallende Gießen deutlich geringere Formfüllzeiten, die sehr wichtig bei der Herstellung von Seriengussteilen sind. Eine Abhängigkeit der Porosität von der Schichtdicke der Schlichte wurde nachgewiesen. Bei der Versuchsreihe mit Entgasung, kombiniert mit dem Unterdruck, konnten sehr niedrige Porositätswerte erzielt werden. Die Argonspülung unmittelbar vor dem Gießen beeinflusst auch die Formfüllgeschwindigkeit positiv. Durch die mikroskopischen Untersuchungen konnten die Poren visualisiert und die zweidimensionalen Größen, wie Fläche, Durchmesser sowie minimale und maximale Querschnitte gemessen werden.

Vor dem Hintergrund des steigenden Leistungsniveaus, der Reduzierung von Emissionen, der sinkenden Motorengewichte, der Einschränkung der Gestaltungsfreiheit sowie der zunehmenden thermischen und mechanischen Belastungen bei der Motorenentwicklung für den Automobilbereich sind die derzeit vorhandenen Werkstoffe vielfach bis in den Grenzbereich optimiert. Um auch in Zukunft den Anforderungen der Politik und Kunden gerecht zu werden, wurden im Rahmen dieser Arbeit neue Legierungen durch die Zugabe von unterschiedlichen Elementen mit differenzierenden Gehalten bei den Legierungessystemen AlMgSi, AlSi6Cu4, AlSi10Ni3 und AlCu5Mn zusammengestellt und systematisch untersucht. Neben der Bestimmung der mechanischen, gießtechnologischen und physikalischen Eigenschaften erfolgte auch eine metallkundliche Untersuchung. Als Vergleich der gewonnenen Ergebnisse diente die Legierung AlSi7Mg. Das ausgeglichenste und beste Eigenschaftsniveau, welches besonders durch eine wesentliche Steigerung der mechanischen Eigenschaften nach thermischer Belastung bei unterschiedlichen Temperaturen hervorgerufen wurde, wiesen die Legierungen AlMg3Si1VScZr, AlMg5Si3VScZr und AlCu5MnNiCe auf, welche in naher Zukunft für Vorserienabgüsse und Motorenprüfstandsläufe verwendet werden sollen.

One of the serious problems encountered in the use of various materials in technology is the occurrence of fatigue phenomena as an undesirable material damage under cyclic mechanical load. For aluminium alloys this issue is of extremely high importance in case of their utilisation for aircraft purposes, e.g., where a very wide spectrum of frequencies occur. Moreover, the cyclic loading may be joined by the presence of specific electrolyte media. Therefore, the material candidates must be thoroughly examined in view of their sensitivity to fatigue as well as to corrosion fatigue. Usually, the Cu-containing alloy EN-AW 2024 T3 is applied besides 7075 T6 in Airbus aircrafts, but the weldable alloy 6013 T6 is considered to be a potential alternative. Referring to former investigations on the environmental sensitivity (ES) in the fatigue behaviour /1-6/ this paper brings up experimental findings as well as expanded considerations about damaging mechanisms and modelling. The situation with the alloy 6013 T6 is emphasized. The propagation of cracks under cyclic load in different environments, such as vacuum, air or aqueous media, is described by means of fracture mechanics. This enables discrimination in view of the influence of environmental factors and, hence, the participation of corrosion processes.

Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Entwicklung eines Werkstoffes auf Basis der Legierung AlSi13,5Mg9,5 (=Al-15Mg2Si-8Si), die sich durch ein verbessertes Verschleißverhalten, geringere thermische Ausdehnung und geringere Dichtewerte auszeichnet. Eine wesentliche Aufgabe der Arbeit bestand in der Einstellung bester mechanischer Eigenschaften durch die Feinung der Primär-Phase (Mg2Si) sowie durch Mikrolegieren. Ausbleibende Resultate begründeten die Wahl einer angepassten Legierungszusammensetzung AlMg8,6Si6,4 (=Al-14Mg2Si-1Si). Versuche zur Eigenschaftsoptimierung (Mikrolegieren, Wärmebehandlung) zeigten neben der Ermittlung der gießtechnischen Eigenschaften die spezifischen Legierungscharakteristika auf. Die Verarbeitung des optimierten Werkstoffes mit verschiedenen Verfahren machte die Abhängigkeit der Ausbildung der mechanischen Eigenschaften sowie des Gefüges deutlich. Die Untersuchung der thermo-physikalischen Eigenschaften sowie die Analyse der Wechselwirkungen zwischen Risswachstum und Gefüge runden die Beschreibung des Eigenschaftsprofiles ab.

Beim fallenden Vollformguss mit Aluminiumlegierungen existiert wegen der vergleichsweise zu Gusseisen niedrigen Gießtemperatur, nahezu kein Gasspalt zwischen der Schmelze und dem Schaumstoffmodell. Durch die Variierung der Schmelzezufuhr konnten Vorteile des fallenden Vollformgießens gegenüber dem steigenden Vollformgießen verdeutlicht werden. Außer wirtschaftlichen Vorteilen erfordert das fallende Gießen deutlich geringere Formfüllzeiten, die sehr wichtig bei der Herstellung von Seriengussteilen sind. Eine Abhängigkeit der Porosität von der Schichtdicke der Schlichte wurde nachgewiesen. Bei der Versuchsreihe mit Entgasung, kombiniert mit dem Unterdruck, konnten sehr niedrige Porositätswerte erzielt werden. Die Argonspülung unmittelbar vor dem Gießen beeinflusst auch die Formfüllgeschwindigkeit positiv. Durch die mikroskopischen Untersuchungen konnten die Poren visualisiert und die zweidimensionalen Größen, wie Fläche, Durchmesser sowie minimale und maximale Querschnitte gemessen werden.

The amount of aluminium sheets in future body-in-white concepts is still on the rise. There is a need for optimizing the joining techniques, caused by the different characteristics compared to the established steel components. Especially the electrode life for resistance spot welding as a reliable and established process needs to be improved. One reason for the short electrode life when welding aluminium is the insulating effect of the aluminium oxide layer. One possibility to reduce the electrode wear is the mechanical destruction of the oxide layer before the welding. This paper describes the influence of a translational and rotational electrode movement on the electrode wear. The oxide layer destruction is detected by resistance measurement. It could be shown that the destruction of the oxide layer already occurs at low movements. However, a homogeneous, large-area destruction is necessary for a wear reduction.

Die Arbeit ruht auf zwei Säulen: Die eine besteht in der Aufbereitung, Erprobung und konsequenten Anwendung von Methoden der Skaleninvarianzanalyse, die andere in einem breiten Fundus an experimentellen Daten für aushärtbare Aluminiumknetlegierungen in der Form dünner Bleche, die unter gleichartigen, streng kontrollierten Bedingungen gewonnen worden sind. Als methodische Weiterentwicklungen sind die Fundierung des Umgangs mit der algebraischen Korrelation zwischen Vorfaktor und Exponent einer beliebigen Potenzgleichung, die Übertragung des Ansatzes der finiten Skaleninvarianz auf die Ermüdungsrißausbreitung sowie die Kombination der Idee eines geschwindigkeitsbestimmenden Schrittes mit der Dimensionsanalyse der umgebungsabhängigen Ermüdungsrißausbreitung bis hin zur Kartierung der geschwindigkeitsbestimmenden Schritte zu nennen. Auf experimenteller Seite wurde eine Datensammlung mit gemessenen Streubändern für die Ermüdungsrißausbreitung und das Verfestigungsverhalten von 39 Orientierungen bzw. Auslagerungszuständen von Aluminiumlegierungen aufgebaut. Diese Sammlung wird durch ausgewählte Messungen der Ermüdungsrißausbreitung im schwellenwertnahen Bereich, Restfestigkeitsversuche, Rißschließmessungen, Rauheitsmessungen an Bruchflächen, frequenzabhängige Messungen zum Umgebungseinfluß sowie Untersuchungen an drei Stählen und einer Magnesiumlegierung sinnvoll ergänzt. Auf der Basis der Meßdaten und der Analysemethoden wurde der Werkstoffeinfluß auf die Ermüdungsrißausbreitung in dünnen Blechen aus Aluminiumknetlegierungen bei Belastung mit konstanter Amplitude im Gültigkeitsbereich der linear-elastischen Bruchmechanik untersucht. Dabei wurden folgende Größen als wesentliche Einflußfaktoren identifiziert: - für die Gruppenzugehörigkeit: der Kohärenz- und Ordnungsgrad der festigkeitsbestimmenden Ausscheidungen und die resultierende Gleitverteilung, - für den gemeinsamen Vorfaktor der Legierungen der Gruppe 1: die elastischen Eigenschaften und das Spannungsverhältnis (Translation der Paris-Geraden), - für die Exponenten der Legierungen der Gruppe 1: 0,2%-Dehngrenze, athermischer Verfestigungsparameter, Probendicke und Kc-Wert als dimensionsloses Potenzprodukt (Rotation der Paris-Geraden), - für die Legierungen der Gruppe 2: das Ausmaß der Rißablenkung und eine bleibende Mode-II-Komponente der Rißöffnungsverschiebung, - für den Umgebungseinfluß der Legierung 6013 T6: Frequenz und Schwingbreite des Spannungsintensitätsfaktors. Die Diskussion umfaßt den wertenden Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit Befunden und Modellen aus der Literatur, Erklärungsansätze für die Ursachen der Einflußnahme der wesentlichen Parameter sowie einen Modellansatz für die Legierungen der Gruppe 1 auf der Basis einer Mischungsregel. Dabei hatte sich erwiesen, daß keines der aus der Literatur bekannten Modelle alle Befunde richtig wiedergibt. Einige der ausgearbeiteten Erklärungsansätze bedürfen der zukünftigen Vertiefung. / The work is based upon two essentials: the first one is the preparation and application of techniques of scale invariance analysis, the second one consists in a database of experimental results for heat-treatable thin-sheet wrought aluminium alloys obtained under uniform conditions. Progress with respect to methodology was achieved regarding, first, the algebraic correlation between sets of coefficients and exponents of any power law, second, the transfer of the concept of finite scale invariance to the phenomenon of fatigue crack growth (FCG), and third, the combination of the ideas of a rate-controlling step and dimensional analysis of environmental-assisted FCG including the mapping of rate-controlling steps. In the experimental part, a database containing both measured scatterbands of FCG and strengthening characteristics for several orientations and aging conditions of aluminium alloys amounting to a total of 39 different material conditions was established. This database was supplemented with results of selected measurements of near-threshold FCG rates, residual strength, crack closure, roughness of fatigue cracks, and frequency-dependent environmental-assisted FCG as well as investigations of three plain-carbon steels and a magnesium alloy. Based on these prerequisites, the influence of the material on the FCG behaviour of thin-sheet wrought aluminium alloys under constant-amplitude loading was investigated within the limits of validity of linear-elastic fracture mechanics. The following influence factors were identified to be essential: The assignment of alloys to one out of two groups is mainly determined by the degrees of coherency and order of the strength-controlling precipitates and the resulting type of slip distribution. The normalized-Paris-law coefficient for the first group is mainly dependent on the modulus of elasticity and the stress ratio. The Paris-law exponents for the first group are dominated by a dimensionless power monomial of the 0.2% proof stress, the athermal strengthening coefficient, sheet thickeness and the critical stress intensity factor. The retardation of the FCG rates of alloys of the second group relative to the first group is mainly determined by the amount of crack deflection and by a residual mode-II component of crack opening displacement. Finally, the environment-assisted FCG for aluminium alloy 6013 T6 reveals a coupled dependence on loading frequency and cyclic stress intensity factor. The discussion covers the evaluation of the results in relation to observations and models from the literature, the explanation of the modes of operation of the major influence factors and a model based on a mixing rule for the alloys of the first group. It turned out that there is not any model that reflects all of the observations simultaneously. Some of the ideas presented require to be worked out in more detail.

Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Entwicklung eines Werkstoffes auf Basis der Legierung AlSi13,5Mg9,5 (=Al-15Mg2Si-8Si), die sich durch ein verbessertes Verschleißverhalten, geringere thermische Ausdehnung und geringere Dichtewerte auszeichnet. Eine wesentliche Aufgabe der Arbeit bestand in der Einstellung bester mechanischer Eigenschaften durch die Feinung der Primär-Phase (Mg2Si) sowie durch Mikrolegieren. Ausbleibende Resultate begründeten die Wahl einer angepassten Legierungszusammensetzung AlMg8,6Si6,4 (=Al-14Mg2Si-1Si). Versuche zur Eigenschaftsoptimierung (Mikrolegieren, Wärmebehandlung) zeigten neben der Ermittlung der gießtechnischen Eigenschaften die spezifischen Legierungscharakteristika auf. Die Verarbeitung des optimierten Werkstoffes mit verschiedenen Verfahren machte die Abhängigkeit der Ausbildung der mechanischen Eigenschaften sowie des Gefüges deutlich. Die Untersuchung der thermo-physikalischen Eigenschaften sowie die Analyse der Wechselwirkungen zwischen Risswachstum und Gefüge runden die Beschreibung des Eigenschaftsprofiles ab.

One of the serious problems encountered in the use of various materials in technology is the occurrence of fatigue phenomena as an undesirable material damage under cyclic mechanical load. For aluminium alloys this issue is of extremely high importance in case of their utilisation for aircraft purposes, e.g., where a very wide spectrum of frequencies occur. Moreover, the cyclic loading may be joined by the presence of specific electrolyte media. Therefore, the material candidates must be thoroughly examined in view of their sensitivity to fatigue as well as to corrosion fatigue. Usually, the Cu-containing alloy EN-AW 2024 T3 is applied besides 7075 T6 in Airbus aircrafts, but the weldable alloy 6013 T6 is considered to be a potential alternative. Referring to former investigations on the environmental sensitivity (ES) in the fatigue behaviour /1-6/ this paper brings up experimental findings as well as expanded considerations about damaging mechanisms and modelling. The situation with the alloy 6013 T6 is emphasized. The propagation of cracks under cyclic load in different environments, such as vacuum, air or aqueous media, is described by means of fracture mechanics. This enables discrimination in view of the influence of environmental factors and, hence, the participation of corrosion processes.