Diese Arbeit untersucht ein einachsiges Materialmodell nach Downing zur Beschreibungdes zyklischen Spannungs-Dehnungsverhalten von Grauguss. Das Modell unterteilt die Gesamtantwort in eine symmetrisch elastisch-plastische Komponente der Metallmatrix und in zwei nichtlinear elastische Anteile, die das Verhalten der Graphitphase im Inneren und an der Oberfläche beschreiben. Das statische und transiente Materialverhalten wurde experimentell quantitativ bestimmt. Auf der Grundlage der Versuchsergebnissen wird das Modell für GJL-200 und GJL-300 überprüft und parametrisiert. Ein Algorithmus zur rechentechnischen Implementierung wird vorgeschlagen und die Simulationsergebnisse mit den Versuchsdaten verglichen. Abschließend wurde das Modell um den Einfluss der Schädigung durch Mikrorisswachstum erweitert und den Versuchsdaten gegenübergestellt. / This thesis investigates an uniaxial model by Downing for cyclic stress-strain response of gray cast iron. The model seperates overall material response into a symmetrical elastic/plastic bulk response and two nonlinear elastic components to account for the behaviour of the graphite phase. Based on experimental data the model is validate and parameterized for GJL-200 and GJL-300. An algorithm suitable for computerization is presented and simulation results are compared to experimental data. Finally the model is extended to include damage due to the effects of micro crack growth and compared to experimental data.

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.

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.

Diese Arbeit untersucht ein einachsiges Materialmodell nach Downing zur Beschreibungdes zyklischen Spannungs-Dehnungsverhalten von Grauguss. Das Modell unterteilt die Gesamtantwort in eine symmetrisch elastisch-plastische Komponente der Metallmatrix und in zwei nichtlinear elastische Anteile, die das Verhalten der Graphitphase im Inneren und an der Oberfläche beschreiben. Das statische und transiente Materialverhalten wurde experimentell quantitativ bestimmt. Auf der Grundlage der Versuchsergebnissen wird das Modell für GJL-200 und GJL-300 überprüft und parametrisiert. Ein Algorithmus zur rechentechnischen Implementierung wird vorgeschlagen und die Simulationsergebnisse mit den Versuchsdaten verglichen. Abschließend wurde das Modell um den Einfluss der Schädigung durch Mikrorisswachstum erweitert und den Versuchsdaten gegenübergestellt.:1. Einleitung 2. Materialmodell 3. Experimentelle Untersuchung 4. Simulation 5. Diskussion 6. Zusammenfassung und Ausblick / This thesis investigates an uniaxial model by Downing for cyclic stress-strain response of gray cast iron. The model seperates overall material response into a symmetrical elastic/plastic bulk response and two nonlinear elastic components to account for the behaviour of the graphite phase. Based on experimental data the model is validate and parameterized for GJL-200 and GJL-300. An algorithm suitable for computerization is presented and simulation results are compared to experimental data. Finally the model is extended to include damage due to the effects of micro crack growth and compared to experimental data.:1. Einleitung 2. Materialmodell 3. Experimentelle Untersuchung 4. Simulation 5. Diskussion 6. Zusammenfassung und Ausblick