Während die Verfahren Schweißen und Kleben für Magnesiumwerkstoffe bereits vielfältig untersucht worden sind, standen bisher zur Frage der Lötmöglichkeit nur ansatzweise Ergebnisse zur Verfügung. Das Ziel dieser Dissertation besteht darin, einen Beitrag zur Erweiterung der geeigneten Fügeverfahren zu leisten. Als Randbedingungen werden folgende Punkte als wesentlich erachtet: Das Verfahren soll einfach in den Produktionszyklus zu integrieren sein. Die Lötverbindung darf aus der Sicht der Korrosionseigenschaften keinen Schwachpunkt bilden. Es werden geeignete Lote hergestellt und hinsichtlich ihrer Gefügeausbildung und ihres Schmelzverhaltens charakterisiert. Für Lötverbindungen mit den Grundwerkstoffen AZ31 und AZ91 werden die sich ausbildenden Gefüge beschrieben. Die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften erfolgt durch Zugversuche in Stumpfstoß- und Überlappgeometrie, durch Schwingversuche sowie durch Härtemessungen. Korrosionseigenschaften der Lötverbindungen werden in unterschiedlichen Elektrolyten und Umgebungsmedien bewertet. Ursachen der Entstehung von Lötfehlern werden diskutiert.

In der vorliegenden Arbeit wird ein Überblick über aktuelle Entwicklungen beim Einsatz von Leichtmetallen im Leichtbau gegeben und dabei vor allem die Bedeutung der Werkstoffe Aluminium, Magnesium und Titan herausgestrichen. Dabei wird ersichtlich, welche Bedeutung Guss- und Knetlegierungen im Einzelnen zukommt und wie sich durch neue Erkenntnisse bei der Werkstoffbehandlung neue Strategien für Konstruktion und Fertigung ergeben. Eine sehr wesentliche Rolle für die optimale Nutzung der Werkstoffeigenschaften spielen die Fügeverfahren. Optimierte Werkstoffe mit neuen Eigenschaftsprofilen erfordern angepasste Fügeverfahren, um mit den Fügestellen keine Schwachpunkte in der Konstruktion zu schaffen. Nicht zuletzt soll die Arbeit durch die Zusammenfassung und Gegenüberstellung aktueller Forschungsergebnisse und des Standes von Forschung und Technik zu neuen Ideen im Sinne des Leichtbaus anregen.

Zur Umsetzung von Leichtbaukonzepten erlangen vor allem Magnesium-Knetlegierungen eine immer größere Bedeutung. Aufgrund deren eingeschränkter Umformeigenschaften bei Raumtemperatur kann die Formgebung allerdings nur bei erhöhten Temperaturen erfolgen. In der vorliegenden Arbeit wurde versucht, derzeit bestehende Wissensdefizite hinsichtlich der Auslegung von temperierten Tiefziehwerkzeugen abzubauen. Dabei standen neben der Gestaltung der thermischen Einbauten des Umformwerkzeuges auch Untersuchungen zu den Auswirkungen der beheizten Werkzeuge auf die Umformmaschine im Blickfeld. So wird z.B. geklärt, wie durch eine thermische Trennung von beheiztem Werkzeug und Umformmaschine ein störungsfreier Betriebsablauf des Umformprozesses sichergestellt werden kann. Einen weiteren Schwerpunkt der Arbeit bildeten Untersuchungen zur Kontakt-Wärmeübertragung zwischen Stahl und der Magnesiumlegierung MgAl3Zn1, um Aussagen zur erforderlichen Aufheizzeit des Magnesiumbleches möglich zu machen.

Ziel dieser Arbeit war es, durch verschiedene physikalische Schmelzebehandlungsverfahren eine Kornfeinung und eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Magnesiumlegierungen zu bewirken. Vibrationsversuche mit furanharzgebundenen Formen zeigten sehr uneinheitliche Ergebnisse über die untersuchten Legierungen. Eindeutige funktionale Zusammenhänge zwischen den Parametern und den mechanischen Eigenschaften konnten nicht gefunden werden. Untersuchungen zum Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit während einer Vibrationsbehandlung zeigten eine geringe Kornfeinung in Folge der Vibration. Die Ultraschallbehandlung verschiedener Magnesiumlegierungen im Kokillenguss lieferte ein wellenförmiges Verhalten der einzelnen Ergebnisse. Magnetohydrodynamikversuche an geschlichteten, zylindrischen Proben, die in Furanharzformen abgegossen wurden, führten zu zirkulationsrichtungsabhängigen Ergebnissen. Es konnten homogenere Korngrößen und erhöhte Festigkeitswerte erreicht werden.

In dieser Arbeit wurden die mechanischen Eigenschaften der Magnesiumsandgusslegierung AZ91 in Abhängigkeit von den Prozessparametern untersucht. Es wurde gezeigt, dass durch die Anwendung von Filtration, Kornfeinung und Wärmebehandlung das Niveau der mechanischen Eigenschaften des Sandgusses dem des Druckgusses angepasst werden kann. In dieser Arbeit wurde außerdem der Einfluss der Prozessparameter auf die Spannungsrelaxations- und Dämpfungseigenschaften untersucht.

Magnesiumwerkstoffe sind aufgrund ihrer geringen Dichte und hohen spezifischen Festigkeit für den Leichtbau prädestiniert. Ziel der vorgelegten Arbeit ist es, durch die gleichzeitige Verbesserung des Korrosions- und Verschleißverhaltens neue Anwendungsfelder für Magnesiumlegierungen zu erschließen. Anhand der Magnesiumlegierung AZ91D wurden die Möglichkeiten einer lokalen beanspruchungsgerechten Modifikation von Struktur und Gefüge im oberflächennahen Bereich durch eine Elektronenstrahl(EB)-Flüssigphasen-Randschichtbehandlung ohne Zusatzstoff (EB-Umschmelzen) und unter Verwendung von Al-Si-Zusatzstoffen (EB-Umschmelzlegieren) aufgezeigt. Die mittels verschiedener hochfrequenter Strahlablenktechniken erzeugten Schichten weisen eine deutliche Gefügefeinung, neue Gefügemorphologien sowie eine veränderte Phasenverteilung und/oder -neubildung auf, sind riss- und porenfrei und haben eine ausgezeichnete schmelzmetallurgische Anbindung an den Grundwerkstoff. Anhand von Tauchversuchen und potentiodynamischen Polarisationsmessungen in verschieden konzentrierten NaCl-Lösungen konnte eine signifikante Verbesserung des Korrosionsverhaltens der generierten Schichten im Vergleich zum Ausgangszustand nachgewiesen werden. EB-umschmelzlegierte Schichten weisen im Ergebnis von Trockenverschleißtests (Stift-Scheibe) eine deutliche Reduzierung des spezifischen Verschleißkoeffizienten auf.

In der vorliegenden Arbeit wird ein prozessübergreifendes Simulationsmodell für die Temperatur- und Gefügeentwicklung im Band und Coil beim reversierenden Warmwalzen entwickelt. In der Software werden die erstmals aufgestellten Modelle der Bandab- und aufwicklung implementiert. Die Temperatur- und Gefügeveränderungen im gewalzten Warmband werden lokal und prozessübergreifend betrachtet. Die für das gesamte Modell notwendigen Koeffizienten zur Beschreibung der Wärmeübertragung wurden mittels der inversen Methode bestimmt. Die Bestimmung der radialen Wärmeübertragung im Coil erfolgte mit Hilfe von Laboruntersuchungen in Abhängigkeit von der Temperatur, der Banddicke und des radialen Druckes. Die Validierung des Modells für die Temperatur- und Gefügeentwicklung erfolgte am Beispiel des reversierenden Warmwalzens der Magnesiumlegierung AZ31. Zu diesem Zweck wurden Versuche zu Temperaturmessungen in den einzelnen Phasen der Prozesskette durchgeführt. Die Ermittlung der Einflüsse der Umformbedingungen auf die Temperatur- und Gefügeentwicklung während des reversierenden Warmbandwalzens erfolgte abschließend mit Hilfe des entwickelten Modells. Die Ergebnisse zeigen auf, wie sich die Walzbedingungen auf die Entwicklung der Temperatur und des Gefüges auswirken.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Warmwalztechnologie für gießgewalztes Vorband der calciumhaltigen Magnesiumlegierung Mg-2Zn-1Al-0,3Ca (ZAX210) entwickelt. Ausgangspunkt war die Untersuchung des Verformungs- und Rekristallisationsverhaltens in Abhängigkeit der Umformtemperatur, Umformgeschwindigkeit und des Umformgrades. Dabei wurde die zwillingsinduzierte dynamische Rekristallisation als dominierender Rekristallisationsmechanismus vor allem bei erhöhten Umformgeschwindigkeiten identifiziert. Basierend auf den daraus gewonnenen Erkenntnissen konnte ein Prozessfenster für das Warmwalzen abgeleitet werden, welches die Erzeugung eines 2 mm dicken Fertigbandes mit abgeschwächter Textur, guten mechanischen Eigenschaften und einer verbesserten Umformbarkeit, insbesondere im Vergleich zu den Standardknetlegierungen AZ31 und ZE10, erlaubte. Die Warmwalzparameter sind unter Berücksichtigung gleicher Randbedingungen auf einen industriellen Warmwalzprozess übertragbar.

Magnesiumwerkstoffe sind aufgrund ihrer geringen Dichte und hohen spezifischen Festigkeit für den Leichtbau prädestiniert. Ziel der vorgelegten Arbeit ist es, durch die gleichzeitige Verbesserung des Korrosions- und Verschleißverhaltens neue Anwendungsfelder für Magnesiumlegierungen zu erschließen. Anhand der Magnesiumlegierung AZ91D wurden die Möglichkeiten einer lokalen beanspruchungsgerechten Modifikation von Struktur und Gefüge im oberflächennahen Bereich durch eine Elektronenstrahl(EB)-Flüssigphasen-Randschichtbehandlung ohne Zusatzstoff (EB-Umschmelzen) und unter Verwendung von Al-Si-Zusatzstoffen (EB-Umschmelzlegieren) aufgezeigt. Die mittels verschiedener hochfrequenter Strahlablenktechniken erzeugten Schichten weisen eine deutliche Gefügefeinung, neue Gefügemorphologien sowie eine veränderte Phasenverteilung und/oder -neubildung auf, sind riss- und porenfrei und haben eine ausgezeichnete schmelzmetallurgische Anbindung an den Grundwerkstoff. Anhand von Tauchversuchen und potentiodynamischen Polarisationsmessungen in verschieden konzentrierten NaCl-Lösungen konnte eine signifikante Verbesserung des Korrosionsverhaltens der generierten Schichten im Vergleich zum Ausgangszustand nachgewiesen werden. EB-umschmelzlegierte Schichten weisen im Ergebnis von Trockenverschleißtests (Stift-Scheibe) eine deutliche Reduzierung des spezifischen Verschleißkoeffizienten auf.

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.