Plastisches Verformungsverhalten unterkühlter Aluminiumlegierungen im System Al-Mg-Si

Zur Optimierung der Herstellung von Bauteilen aus Aluminium-Knetlegierungen haben sich in der Industrie computergestützte Simulationen ganzer Prozessketten etabliert. Eine Voraussetzung der Prozessmodellierung sind physikalisch basierte Werkstoffmodelle, welche ablaufende Ver- und Entfestigungsvorgänge bei plastischer Verformung auf Basis der Mikrostrukturentwicklung beschreiben können. Da das Festigkeits- und Fließverhalten durch die Gesamtheit der mikrostrukturellen Gegebenheiten bestimmt wird, ergeben sich bei der Modellierung verschiedene Schwierigkeiten. Insbesondere die Interpretation experimenteller Daten, auf denen die Werkstoffmodelle basieren, ist herausfordernd, da wirkende Verfestigungsmechanismen oftmals nicht entkoppelt voneinander untersucht werden können. Auch die Charakterisierung des temperatur- und dehnratenabhängigen Fließverhaltens metastabiler Werkstoffzustände stellt eine große Herausforderung dar. Für eine grundlegende Modellierung des Fließverhaltens bedarf es Kenntnisse, die über den heutigen Stand der Technik hinausgehen. Die vorliegende Arbeit soll dazu beitragen, bestehende Kenntnislücken zur Wirkweise der Hauptlegierungselemente in Al-Mg-Si-Knetlegierungen auf das Festigkeits- und Fließverhalten zu schließen. Dafür wurde eine Methodik entwickelt, die mechanische Werkstoffprüfungen an definierten, metastabilen Werkstoffzuständen unter variierenden Umformbedingungen ermöglicht. Um den Einfluss der Hauptlegierungselemente besser beurteilen zu können, erfolgten die experimentellen Untersuchungen an verschiedenen binären (Al-Mg, Al- Si) Modelllegierungen mit systematischer Variation der Legierungsgehalte und an einer ternären Al-Mg-Si-Legierung. Da eine genaue Kenntnis der Mikrostruktur mechanisch geprüfter Werkstoffzustände von wesentlicher Bedeutung ist, wurden umfassende Untersuchungen zur Mikrostrukturentwicklung der Modelllegierungen durchgeführt. Neben thermischen Analysen mittels Differential Scanning Calorimetry (DSC) wurden Gefügeanalysen mittels Licht- und Elektronenmikroskopie sowie energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX/EDS) vorgenommen. Für die Bestimmung gelöster Fremdatomkonzentrationen im Al-Mischkristall wurden darüber hinaus Experimente mit Atomsondentomografie (APT) und elektrische Widerstandsmessungen durchgeführt. Die Charakterisierung des Fließverhaltens erfolgte systematisch durch thermomechanische Analysen (TMA) an unterkühlten Werkstoffzuständen über einen weiten Temperatur- und Dehnratenbereich. Auf Grundlage der durch Mikrostrukturuntersuchungen gewonnenen Informationen wurden die relevanten Einflussgrößen interpretiert. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine detaillierte Beschreibung des Fließverhaltens in Korrelation zur Mikrostruktur der Werkstoffe und zu den Umformbedingungen. Zugleich wurde eine umfangreiche experimentelle Datenbasis für eine Fließkurvenmodellierung von Al-Mg-Si-Legierungen geschaffen.