Ultrafeinkörnige metallische Werkstoffe haben verstärkt wissenschaftliche Bedeutung erlangt. Um dieser neuartigen Werkstoffklasse über die grundlagenorientierte Forschung hinaus einen Einsatz in technischen Anwendungen zu ermöglichen, ist es notwendig, deren Verhalten unter verschiedenen einsatzrelevanten Belastungsbedingungen vorhersagen zu können. In der vorliegenden Arbeit wird das Schädigungsverhalten einer ultrafeinkörnigen Aluminiumlegierung in den Bereichen der hochzyklischen (HCF) und niedrigzyklischen (LCF) Ermüdung sowie des Rissfortschritts untersucht. Im Mittelpunkt steht dabei die Identifikation der mikrostrukturell wirksamen Mechanismen bei der Entstehung und Ausbreitung von Ermüdungsrissen. Es werden ein homogen ultrafeinkörniger und ein bimodaler Zustand sowie verschiedene duktilitätsoptimierte Zustände betrachtet und systematisch der Einfluss der Korngröße, der Korngrößenverteilung, der Ausscheidungscharakteristik sowie der Festigkeit und Duktilität auf das Ermüdungs- und Rissfortschrittsverhalten ermittelt. Die Untersuchungen zeigen, dass das Schädigungsverhalten der ultrafeinkörnigen Aluminiumlegierung insbesondere durch die Korngröße und Korngrößenverteilung sowie den Kohärenzgrad der festigkeitssteigernden Ausscheidungen beeinflusst wird.

The desire for energy and resource savings brings magnesium alloys as lightweight materials with high specific strength more and more into the focus. Most structural components are subjected to cyclic loading. In the course of computer aided product development, a numerical prediction of the fatigue life under these conditions must be provided. For this reason, the mechanical properties of the considered material must be examined in detail. Wrought magnesium semifinished products, e.g. magnesium sheet metals, typically reveal strong basal textures and thus, the mechanical behavior considerably differs from that of the well-established magnesium die castings. Magnesium sheet metals reveal a distinct difference in the tensile and compressive yield stress, leading to non-symmetric sigmoidal hysteresis loops within the elasto-plastic load range. These unusual hysteresis shapes are caused by cyclic twinning and detwinning. Furthermore, wrought magnesium alloys reveal pseudoelastic behavior, leading to nonlinear unloading curves. Another interesting effect is the formation of local twin bands during compressive loading. Nevertheless, only little information can be found on the numerical fatigue analysis of wrought magnesium alloys up to now. The aim of this thesis is the investigation of the mechanical properties of wrought magnesium alloys and the development of an appropriate fatigue model. For this purpose, twin roll cast AM50 as well as AZ31B sheet metals and extruded ME21 sheet metals were used. Mechanical tests were carried out to present a comprehensive overview of the quasi-static and cyclic material behavior. The microstructure was captured on sheet metals before and after loading to evaluate the correlation between the microstructure, the texture, and the mechanical properties. Stress- and strain-controlled loading ratios and strain-controlled experiments with variable amplitudes were performed. Tests were carried out along and transverse to the manufacturing direction to consider the influence of the anisotropy. Special focus was given to sigmoidal hysteresis loops and their influence on the fatigue life. A detailed numerical description of hysteresis loops is necessary for numerical fatigue analyses. For this, a one-dimensional phenomenological model was developed for elasto-plastic strain-controlled constant and variable amplitude loading. This model consists of a three-component equation, which considers elastic, plastic, and pseudoelastic strain components. Considering different magnesium alloys, good correlation is reached between numerically and experimentally determined hysteresis loops by means of different constant and variable amplitude load-time functions. For a numerical fatigue life analysis, an energy based fatigue parameter has been developed. It is denoted by “combined strain energy density per cycle” and consists of a summation of the plastic strain energy density per cycle and the 25 % weighted tensile elastic strain energy density per cycle. The weighting represents the material specific mean stress sensitivity. Applying the energy based fatigue parameter on modeled hysteresis loops, the fatigue life is predicted adequately for constant and variable amplitude loading including mean strain and mean stress effects. The combined strain energy density per cycle achieves significantly better results in comparison to conventional fatigue models such as the Smith-Watson-Topper model. The developed phenomenological model in combination with the combined strain energy density per cycle is able to carry out numerical fatigue life analyses on magnesium sheet metals.

Ultrafeinkörnige metallische Werkstoffe haben verstärkt wissenschaftliche Bedeutung erlangt. Um dieser neuartigen Werkstoffklasse über die grundlagenorientierte Forschung hinaus einen Einsatz in technischen Anwendungen zu ermöglichen, ist es notwendig, deren Verhalten unter verschiedenen einsatzrelevanten Belastungsbedingungen vorhersagen zu können. In der vorliegenden Arbeit wird das Schädigungsverhalten einer ultrafeinkörnigen Aluminiumlegierung in den Bereichen der hochzyklischen (HCF) und niedrigzyklischen (LCF) Ermüdung sowie des Rissfortschritts untersucht. Im Mittelpunkt steht dabei die Identifikation der mikrostrukturell wirksamen Mechanismen bei der Entstehung und Ausbreitung von Ermüdungsrissen. Es werden ein homogen ultrafeinkörniger und ein bimodaler Zustand sowie verschiedene duktilitätsoptimierte Zustände betrachtet und systematisch der Einfluss der Korngröße, der Korngrößenverteilung, der Ausscheidungscharakteristik sowie der Festigkeit und Duktilität auf das Ermüdungs- und Rissfortschrittsverhalten ermittelt. Die Untersuchungen zeigen, dass das Schädigungsverhalten der ultrafeinkörnigen Aluminiumlegierung insbesondere durch die Korngröße und Korngrößenverteilung sowie den Kohärenzgrad der festigkeitssteigernden Ausscheidungen beeinflusst wird.

Das Örtliche Konzept dient der Berechnung von Lebensdauern zyklisch belasteter Konstruktionen. Dabei wird die Ermüdungsfestigkeit des ungekerbten Werkstoffes zugrundegelegt, um die Bauteillebensdauer abzuschätzen. Mit dieser Annahme verbunden ist ein starke Vereinfachung des Ermüdungsvorganges. Die Ursache ist die unzureichende Berücksichtigung wesentlicher Einflußgrößen, die die Festigkeit des interessierenden Bauteiles bestimmen und die andere Ausprägung als an der Werkstoffprobe erfahren. Dadurch ist die Zuverlässigkeit der Rechnung reduziert. Die vorliegende Arbeit untersucht und klassifiziert die Ursachen für dieses Übertragbarkeitsproblem. Mit einem sehr flexiblen multiplikativen Ansatz, der technologischen, statistischen und spannungsemchanischen Effekt berücksichtigt, läßt sich der Unterschied zwischen Festigkeit des Bauteils und der Werkstoffprobe rechnerisch erfassen. Zur numerischen Betrachtung technologischer und statistischer Einflüsse kann auf bereits bestehendes Wissen zurückgegriffen werden. Dies wird konzeptbezogen und mit Rücksicht auf die Anwendung angepaßt. Die Berücksichtigung des spannungsmechanischen Einflusses hingegen kann nicht von Bestehendem abgeleitet werden. Dazu wird aus einer umfangreichen Sammlung experimenteller Ergebnisse dieser Einflufaktor abgeleitet. Aus der so gegebenen Stichprobe lassen sich durch eine statistische Auswertung eine Reihe von Kennwerten identifizieren, die die Stützwirkung maßgeblich beeinflussen. Darauf aufbauend wird eine Bestimmungsgleichung für den spannungsmechanischen Einflußfaktor abgeleitet. Somit ist ein Stützwirkungskonzept geschaffen, das es erlaubt, die drei wesentliche Aspekte technologischen, statistischen und spannungsmechanischen Einfluß qualitativ uind quantitativ ins Örtliche Konzept zu integrieren. Mit dieser Vorgehsweise und einer vorliegenden Werkstoffwöhlerlinie läßt sich die bauteilspezifische Festigkeit abschätzen. Die so abgeleitete Wöhlerlinie erlaubt eine wesentlich genauere Lebensdauerberechnung, wie die Kotrolle an umfangreichen, unabhängigen Daten beweist. / The local strain concept serves to estimate the service life of cyclically loaded structures. Here the fatigue strength of the mere material coupon is taken as the basis in the calculation for notched components. This represents a distinct simplification of the complex fatigue process because of disregarding the relevant influences that determine strength and durability. By that the reliability of the calculation is not yet satisfying. The present investigation first classifies the reasons for this problem of transferabillity between notched component and unnotched specimen. A simple but flexible approach is used to describe the technological, statistical and and gradient effect. To consider the technological influences and statistical size effect numerically, known relationships and procedures are taken and adapted to the methodology of the concept. To catch gradient effects a new stress-relief-concept was developed. From a comprehensive database of experimental results gradient effects were were separated. By a statistical analysis relevant variables that govern the stress-relief are identified. Using these, an equation gets derived which enables to compute the gradient effects on fatigue strength. The developed stress-relief-concept allows to estimate a component-related strain(parameter-)-life-curve. Lifetime predictioins based on this are by far more reliable than those based on materials data only. This is verified by a check on an extensive and independent database.