Die Arbeit beinhaltet die umfassende Charakterisierung des Festigkeits- und Zähigkeitsverhaltens von entkohlend geglühtem Temperguß, der in unterschiedlichen Qualitäten von drei Gießereien bereitgestellt wurde. Im Rahmen des Versuchsprogramms wurden die gefügeabhängigen mechanischen und bruchmechanischen Kennwerte in Abhängigkeit von der Temperatur bei statischer, dynamischer und zyklischer Beanspruchung bestimmt. Sie gestatten damit die vergleichende Einordnung des entkohlend geglühten Tempergusses in vorliegende Ergebnisse anderer Gußeisenwerkstoffe und sind Grundlage sowohl für eine beanspruchungsgerechtere Werkstoffauswahl bzw. Bruchsicherheitsbewertung als auch für die Ableitung qualitätssichernder Maßnahmen. Der Vorteil bruchmechanischer Kennwerte als Voraussetzung für eine beanspruchungsgerechte Bruchsicherheitsbeurteilung von Gußteilen unter Einbeziehung von gießtechnischen Imperfektionen wurde am Beispiel einer bruchmechanischen Bewertung der Verbundschweißung Temperguß - Stahl demonstriert.

Der Werkstoff Gusseisen mit Vermiculargraphit gewinnt aufgrund seiner spezifischen Eigenschaften, die allgemein zwischen denen von Gusseisen mit Lamellengraphit und Gusseisen mit Kugelgraphit angesiedelt sind, für ausgewählte Bauteile zunehmend an Bedeutung. Insbesondere im Straßenfahrzeugbau, wo aufgrund der steigenden Leistungsdichte der Motoren das Gusseisen mit Lamellengraphit nicht mehr den mechanischen Anforderungen genügt und Gusseisen mit Kugelgraphit aufgrund seiner thermischen Eigenschaften und der schlechten mechanischen Bearbeitbarkeit keine alternative Lösung darstellt, kommt Gusseisen mit Vermiculargraphit zunehmend zum Einsatz. Damit öffnet sich diesem Werkstoff ein Einsatzgebiet, das in den nächsten Jahren eine erhebliche Zunahme der gegenwärtigen Produktionsmengen erwarten lässt. Gusseisen mit Vermiculargraphit ist schon seit etwa 50 Jahre bekannt, aber die Gesamtentwicklung im Hinblick auf die Erzeugung, die Eigenschaften, die gießereitechnische Verarbeitung und den Einsatz ist nicht abgeschlossen. Vor allem die Probleme bei der Herstellung dieses Werkstoffes müssen nochmals angesprochen werden, weil seine Zwischenposition zwischen Gusseisen mit Lamellengraphit und Gusseisen mit Kugelgraphit das metallurgische Prozessfenster stark einengt. Bis jetzt gibt es kein genaues Verfahren, um Gusseisen mit Vermiculargraphit treffsicher zu erzeugen. In mehreren Ländern ist dieser Werkstoff noch nicht genormt, und die großtechnische Erzeugung basiert auf betrieblichen Festlegungen und Vereinbarungen, z.B. in der Bundesrepublik Deutschland ist es VDG-Merkblatt W50 (2002). Ein anderer Aspekt bei der Erzeugung des Gusseisens mit Vermiculargraphit ist die zweckentsprechende Auswahl des Einsatzmaterials. Die Lage auf dem Rohstoffmarkt ist zurzeit dramatisch, weil die Preise für erstklassige Einsatzstoffe stark angestiegen sind. Das fördert die Verwendung solcher Einsatzstoffe, die zu einer Minimierung der Kosten führen sollen, wie zum Beispiel spezielle mikrolegierte oder beschichtete Schrottsorten, wobei Spurenelemente bei der Herstellung von Gusseisen mit Vermiculargraphit nicht nur negative, sondern auch positive Auswirkungen haben, die – sofern Kenntnisse über die Wirkungen dieser Elemente existieren – genutzt werden können. Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, Gusseisen mit Vermiculargraphit treffsicher und preisgünstig, d.h. unter hohem Einsatz von Recyclingmaterial, herzustellen. Mit den Untersuchungen ist ein Beitrag zum Einfluss ausgewählter Spurenelemente, die durch bestimmte Stahlschrottsorten in die Basisschmelze gelangen können, auf das Qualitätsniveau von Gusseisen mit Vermiculargraphit im Gusszustand zu leisten. Dabei sind die folgenden Schwerpunkte zu beachten: Die Herstellung von Gusseisen mit Vermiculargraphit soll unter Verwendung von synthetischem Gusseisen und von magnesiumhaltigen Vorlegierungen durchgeführt werden, weil durch weitere Legierungselemente sowie seltene Erden die Wirkung von Spurenelementen beeinflusst werden kann. Außerdem soll das Herstellungsverfahren minimale Kosten erfordern. Da auf dem Markt besonders viel zink- und zinnbeschichtetes Material vorhanden ist und die Tendenz zu Verbrauch solcher Bleche noch steigt, können Schmelzen von Gusseisen mit Vermiculargraphit durch den Schrotteinsatz mit Zink bzw. Zinn angereichert werden. Das zentrale Anliegen dieser Arbeit besteht in der Herstellung des Gusseisens mit Vermiculargraphit unter dem Einsatz von synthetischem Gusseisen mit den Gehalten an Spurenelementen Zink und Zinn, die im Recyclingmaterial vorkommen können. Hierfür wird eine Technologie zur Herstellung von Gusseisen mit Vermiculargraphit erarbeitet und weiterhin optimiert, die auf Abklingen des Magnesiums aus der Schmelze basiert. Die Schmelze wird mit einer Magnesiumvorlegierung behandelt und nach bestimmter Haltezeit, sowie Qualitätskontrolle durch Thermoanalyse und Sauerstoffaktivitätsmessung, zu Probekörper vergossen (Kapitel 3). Anhand dieser Technologie wird das Gusseisen mit Vermiculargraphit mit verschiedenen Gehalten an Zink, Zinn und ihre Kombinationen hergestellt. Dabei wird der Zusammenhang zwischen dem Gefüge und den Thermoanalyseparameter, den EMK-Werten und den mechanischen Eigenschaften von Gusseisen mit Vermiculargraphit ermittelt. Außerdem werden die Zink- bzw. Zinn-Verteilung und der Einfluss dieser Elemente auf die Wanddickenabhängigkeit des Werkstoffes beschrieben. Im Anschluss wird die Zweckmäßigkeit des Weichglühens bei der Herstellung des Gusseisens mit Vermiculargraphit diskutiert.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die umfassende Bewertung des Festigkeits- und Zähigkeitsverhaltens von schwarzem Temperguss, der in den Qualitäten GTS-35-10, GTS-45-06 und GTS-65-02 vorlag und somit eine gezielte Bewertung des Einflusses ferritischer, ferritisch-perlitischer und perlitischer Grundgefüge erlaubte. Im Rahmen des Versuchsprogramms wurden die gefügeabhängigen mechanischen und bruchmechanischen Kennwerte in Abhängigkeit von der Temperatur bei statischer, dynamischer und zyklischer Beanspruchung bestimmt. Sie gestatten damit die vergleichende Einordnung von Gusseisenwerkstoffen mit globularer und vermicularer Graphitausbildung und ermöglichen die Bewertung des Einflusses der Graphitausbildung auf den Risseinleitungs- und Rissausbreitungswiderstand. Die vorliegenden Ergebnisse sind Grundlage sowohl für eine beanspruchungsgerechtere Werkstoffauswahl bzw. Bruchsicherheitsbewertung als auch für die Ableitung qualitätssichernder Maßnahmen.

Zugl.: Magdeburg, Universiẗat, Diss., 2007.

Der Werkstoff Gusseisen mit Vermiculargraphit gewinnt aufgrund seiner spezifischen Eigenschaften, die allgemein zwischen denen von Gusseisen mit Lamellengraphit und Gusseisen mit Kugelgraphit angesiedelt sind, für ausgewählte Bauteile zunehmend an Bedeutung. Insbesondere im Straßenfahrzeugbau, wo aufgrund der steigenden Leistungsdichte der Motoren das Gusseisen mit Lamellengraphit nicht mehr den mechanischen Anforderungen genügt und Gusseisen mit Kugelgraphit aufgrund seiner thermischen Eigenschaften und der schlechten mechanischen Bearbeitbarkeit keine alternative Lösung darstellt, kommt Gusseisen mit Vermiculargraphit zunehmend zum Einsatz. Damit öffnet sich diesem Werkstoff ein Einsatzgebiet, das in den nächsten Jahren eine erhebliche Zunahme der gegenwärtigen Produktionsmengen erwarten lässt. Gusseisen mit Vermiculargraphit ist schon seit etwa 50 Jahre bekannt, aber die Gesamtentwicklung im Hinblick auf die Erzeugung, die Eigenschaften, die gießereitechnische Verarbeitung und den Einsatz ist nicht abgeschlossen. Vor allem die Probleme bei der Herstellung dieses Werkstoffes müssen nochmals angesprochen werden, weil seine Zwischenposition zwischen Gusseisen mit Lamellengraphit und Gusseisen mit Kugelgraphit das metallurgische Prozessfenster stark einengt. Bis jetzt gibt es kein genaues Verfahren, um Gusseisen mit Vermiculargraphit treffsicher zu erzeugen. In mehreren Ländern ist dieser Werkstoff noch nicht genormt, und die großtechnische Erzeugung basiert auf betrieblichen Festlegungen und Vereinbarungen, z.B. in der Bundesrepublik Deutschland ist es VDG-Merkblatt W50 (2002). Ein anderer Aspekt bei der Erzeugung des Gusseisens mit Vermiculargraphit ist die zweckentsprechende Auswahl des Einsatzmaterials. Die Lage auf dem Rohstoffmarkt ist zurzeit dramatisch, weil die Preise für erstklassige Einsatzstoffe stark angestiegen sind. Das fördert die Verwendung solcher Einsatzstoffe, die zu einer Minimierung der Kosten führen sollen, wie zum Beispiel spezielle mikrolegierte oder beschichtete Schrottsorten, wobei Spurenelemente bei der Herstellung von Gusseisen mit Vermiculargraphit nicht nur negative, sondern auch positive Auswirkungen haben, die – sofern Kenntnisse über die Wirkungen dieser Elemente existieren – genutzt werden können. Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, Gusseisen mit Vermiculargraphit treffsicher und preisgünstig, d.h. unter hohem Einsatz von Recyclingmaterial, herzustellen. Mit den Untersuchungen ist ein Beitrag zum Einfluss ausgewählter Spurenelemente, die durch bestimmte Stahlschrottsorten in die Basisschmelze gelangen können, auf das Qualitätsniveau von Gusseisen mit Vermiculargraphit im Gusszustand zu leisten. Dabei sind die folgenden Schwerpunkte zu beachten: Die Herstellung von Gusseisen mit Vermiculargraphit soll unter Verwendung von synthetischem Gusseisen und von magnesiumhaltigen Vorlegierungen durchgeführt werden, weil durch weitere Legierungselemente sowie seltene Erden die Wirkung von Spurenelementen beeinflusst werden kann. Außerdem soll das Herstellungsverfahren minimale Kosten erfordern. Da auf dem Markt besonders viel zink- und zinnbeschichtetes Material vorhanden ist und die Tendenz zu Verbrauch solcher Bleche noch steigt, können Schmelzen von Gusseisen mit Vermiculargraphit durch den Schrotteinsatz mit Zink bzw. Zinn angereichert werden. Das zentrale Anliegen dieser Arbeit besteht in der Herstellung des Gusseisens mit Vermiculargraphit unter dem Einsatz von synthetischem Gusseisen mit den Gehalten an Spurenelementen Zink und Zinn, die im Recyclingmaterial vorkommen können. Hierfür wird eine Technologie zur Herstellung von Gusseisen mit Vermiculargraphit erarbeitet und weiterhin optimiert, die auf Abklingen des Magnesiums aus der Schmelze basiert. Die Schmelze wird mit einer Magnesiumvorlegierung behandelt und nach bestimmter Haltezeit, sowie Qualitätskontrolle durch Thermoanalyse und Sauerstoffaktivitätsmessung, zu Probekörper vergossen (Kapitel 3). Anhand dieser Technologie wird das Gusseisen mit Vermiculargraphit mit verschiedenen Gehalten an Zink, Zinn und ihre Kombinationen hergestellt. Dabei wird der Zusammenhang zwischen dem Gefüge und den Thermoanalyseparameter, den EMK-Werten und den mechanischen Eigenschaften von Gusseisen mit Vermiculargraphit ermittelt. Außerdem werden die Zink- bzw. Zinn-Verteilung und der Einfluss dieser Elemente auf die Wanddickenabhängigkeit des Werkstoffes beschrieben. Im Anschluss wird die Zweckmäßigkeit des Weichglühens bei der Herstellung des Gusseisens mit Vermiculargraphit diskutiert.

Hypoeutectic Fe-C and Fe-C-Si model alloys were produced at different solidification conditions. Copper mold casting yields low cooling rates promoting the formation of a eutectic microstructure characterized by two morphologies: elongated cementite plates and a rod structure growing perpendicular to the plates, i.e. austenite rods in a cementite matrix. Electron beam surface remelting generates a mainly plate-like eutectic due to rapid solidification. The microstructures were characterized by light-optical microscopy and electron backscatter diffraction (EBSD). The latter allows for a spatially resolved investigation of the growth crystallography of the eutectic phases. Thereby, a possible existence of crystallographic orientations relationships between cementite and austenite within the plate-like eutectic was assessed experimentally. The eutectic phases were found to grow largely crystallographically independently. Moreover, ferrite and eutectic cementite within the decomposed eutectic microstructure comply frequently with the Bagaryatsky or the Pitsch-Petch orientation relationship. Complementary X-ray diffraction (XRD) analysis reveals a pronounced cementite {002} texture in the microstructure produced by mold casting. Characteristic changes in the lattice parameters indicate that as-cast cementite is non-stoichiometric.

Die Arbeit beinhaltet die umfassende Charakterisierung des Festigkeits- und Zähigkeitsverhaltens von entkohlend geglühtem Temperguß, der in unterschiedlichen Qualitäten von drei Gießereien bereitgestellt wurde. Im Rahmen des Versuchsprogramms wurden die gefügeabhängigen mechanischen und bruchmechanischen Kennwerte in Abhängigkeit von der Temperatur bei statischer, dynamischer und zyklischer Beanspruchung bestimmt. Sie gestatten damit die vergleichende Einordnung des entkohlend geglühten Tempergusses in vorliegende Ergebnisse anderer Gußeisenwerkstoffe und sind Grundlage sowohl für eine beanspruchungsgerechtere Werkstoffauswahl bzw. Bruchsicherheitsbewertung als auch für die Ableitung qualitätssichernder Maßnahmen. Der Vorteil bruchmechanischer Kennwerte als Voraussetzung für eine beanspruchungsgerechte Bruchsicherheitsbeurteilung von Gußteilen unter Einbeziehung von gießtechnischen Imperfektionen wurde am Beispiel einer bruchmechanischen Bewertung der Verbundschweißung Temperguß - Stahl demonstriert.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die umfassende Bewertung des Festigkeits- und Zähigkeitsverhaltens von schwarzem Temperguss, der in den Qualitäten GTS-35-10, GTS-45-06 und GTS-65-02 vorlag und somit eine gezielte Bewertung des Einflusses ferritischer, ferritisch-perlitischer und perlitischer Grundgefüge erlaubte. Im Rahmen des Versuchsprogramms wurden die gefügeabhängigen mechanischen und bruchmechanischen Kennwerte in Abhängigkeit von der Temperatur bei statischer, dynamischer und zyklischer Beanspruchung bestimmt. Sie gestatten damit die vergleichende Einordnung von Gusseisenwerkstoffen mit globularer und vermicularer Graphitausbildung und ermöglichen die Bewertung des Einflusses der Graphitausbildung auf den Risseinleitungs- und Rissausbreitungswiderstand. Die vorliegenden Ergebnisse sind Grundlage sowohl für eine beanspruchungsgerechtere Werkstoffauswahl bzw. Bruchsicherheitsbewertung als auch für die Ableitung qualitätssichernder Maßnahmen.

Bei der Herstellung von dickwandigem GJS treten zahlreiche ungeklärte Effekte durch die sehr langsamen Abkühlungs- und Erstarrungsgeschwindigkeiten auf. Bisherige Untersuchungsmethoden ermöglichen keine definierte Temperaturführung analog zum realen Bauteil und benötigen trotzdem große Schmelzemengen und einen hohen Trennaufwand für die Probenherstellung. Das Ziel der Arbeit bestand in der Entwicklung einer Versuchsmethode zur experimentellen Simulation extrem langer Abkühl- und Erstarrungszeiten von GJS. Die Verwendung einer geeigneten Abdeckung der Schmelze zur Minimierung des Mg-Abbrandes und eines druckfesten Kaltwandofens inkl. dynamischer Temperatursteuerung ermöglichte reproduzierbare Versuche zur Einstellung verschiedener Gefügezustände durch Variation der Abkühlregime und des Impfzustandes. Es gelang, Chunkygrafit und Grafitflotation gezielt herzustellen und dadurch die Entstehungsmechanismen wissenschaftlich zu untersuchen. Ein Chunkygrafit-Index-Diagramm konnte erarbeitet werden.

In the present thesis, fatigue behavior of nodular cast iron (NCI) is investigated using micromechanical simulations. An elastic-plastic porous material experiences an increase in a void volume fraction with each cycle of loading. This is called void ratchetting. The hypothesis of this thesis is to explain the fatigue failure of NCI using void ratchetting mechanism. The strain-life, stress-life, notch support effect, and fatigue crack growth are studied using the micromechanical simulations. In all these studies, matrix material is defined as an elastic-plastic with isotropic/kinematic hardening. No damage law is used to define material degradation. The axisymmetric cell model is developed to study strain-life and stress-life approaches for fatigue. The cell model is subjected to cyclic loading and cycle by cycle simulations are carried out until failure. The failure of the cell model is defined based on the drop in the macroscopic response of the cell model. The notch support effect is investigated using a 2D plane strain model within stress-life concept. From the simulation results, strain-life and stress-life curves are extracted, and they are in qualitative and quantitative agreement with experimental data collected from literature. The fatigue crack growth is studied using a micromechanical cell model under small scale yielding conditions. The graphite particles are considered as voids, and they are resolved discretely in fracture process zone. The region outside of the fracture process zone is considered as a homogenized medium. When positive alternating loads are applied, ligaments in the fracture process zone show ratchetting behavior, which is responsible for an effective fatigue crack growth. This mechanism is relevant for the fatigue crack growth in NCI. The 2D plane strain boundary layer model is able to predict the effect of load ratio on threshold for the fatigue crack growth and the fatigue crack growth rate. The fatigue crack growth rate curves obtained from the simulations are compared with experimental data. It is essential to note that the void ratchetting (plastic collapse of the intervoid ligaments) is a crucial mechanism in NCI and more focus should be given to this mechanism as it is simple to implement and gives satisfying simulation results.