Investigation of fatigue behavior of aluminum welded joints in the very high load cycle regime

Gegenstand des vorliegenden Vorhabens ist die Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von Aluminium- Schweißverbindungen im Bereich sehr hoher Lastspielzahlen (Very High Cycle Fatigue = VHCF) unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussfaktoren Geometrie, Werkstoffzustand, Belastungsart und -höhe und Einfluss von Mittelspannungen. Das Ermüdungsverhalten ist bis zur klassischen Dauerfestigkeitsgrenze von N = 107 (für Aluminium) hinlänglich experimentell erfasst. Eine mögliche Schädigung, hervorgerufen durch Amplituden unterhalb der klassischen Dauerfestigkeitsgrenze wird für Schweißverbindungen bisher in der Regel durch eine hypothetisch festgelegte veränderte Neigung der Wöhlerlinie berücksichtigt. Die Ergebnisse der geplanten experimentellen Untersuchungen zum VHCF-Verhalten werden anhand zweier Lebensdauervorhersagekonzepte evaluiert: das Kerbspannungskonzept mit einem fiktiven Ersatzradius und eine linear-elastische bruchmechanische Bewertung auf der Basis der kritischen Schwingbreite des Spannungsintensitätsfaktors ΔK. Die Simulation der lokalen Beanspruchungssituation erfolgt in beiden Fällen mittels FEAnalyse. Eine Gegenüberstellung der Lebensdauervorhersagekonzepte für den VHCF-Bereich dient einer verbesserten Vorhersagegenauigkeit und einer Charakterisierung des bei der VHCF-Ermüdung von Aluminium-Schweißverbindung dominierenden schädigungsrelevanten Parameters. Die durchzuführenden Untersuchungen erfolgen an einer artgleich (ausscheidungshärtende Legierung AlSi1MgMn) und an einer artfremd (ausscheidungshärtende Legierung AlSi1MgMn mit der mischkristallgehärteten Legierung AlMg4,5Mn) verschweißten Verbindung in Form von MIG-geschweißten Stumpfstößen. Durch eine Variation des Spannungsverhältnisses bei den Ermüdungs- und den Risswachstumsversuchen wird dem Einfluss von Eigenspannungen indirekt Rechnung getragen. Zur systematischen Differenzierung der verschiedenen Einflussfaktoren (geometrische Kerbe, Werkstoffkerbe, Schweißnahtdefekte) erfolgt die Durchführung der experimentellen Untersuchungen sowohl an geschweißten als auch an ungeschweißten Proben. Die nur bedingt in massiven Proben reproduzierbare Mikrostrukturen der Schweißnahtzonen werden durch die Charakterisierung der Ausscheidungszustände mittels Transmissionselektronenmikroskopie und der Einstellung ähnlicher Ausscheidungszustände durch eine gezielte Wärmebehandlung berücksichtigt.