DE102010009318B4

DE102010009318B4 - Systeme und Verfahren zur Vorhersage von Ermüdungslebensdauern von Aluminiumlegierungen unter mehrachsiger Beanspruchung

Info

Publication number: DE102010009318B4
Application number: DE102010009318.1A
Authority: DE
Inventors: Qigui Wang; Yucong Wang; Guoqiu He; Chengshu Chen; Zhengfei Hu; Xiaoshan Liu; Defeng Mo
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-03-12
Filing date: 2010-02-25
Publication date: 2021-06-24
Anticipated expiration: 2030-02-26
Also published as: DE102010009318A1; US20100235110A1; CN101839904B; CN101839904A; US8515688B2

Abstract

System (10) zur Vorhersage einer Ermüdungslebensdauer einer Aluminiumlegierung unter zyklischer mehrachsiger Beanspruchung, wobei das System (10) umfasst:einen Informationseingang (12), der ausgebildet ist, um zumindest eine von einer Information, die mit der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, und einer Information, die mit einem in der Aluminiumlegierung vorhandenen Spannungszustand und Mikrostrukturcharakteristika und thermophysikalischen und mechanischen Eigenschaften der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, zu empfangen;einen Informationsausgang (14), der ausgebildet ist, um Information, die mit der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, weiterzuleiten;eine Verarbeitungseinheit (16); undein computerlesbares Medium (18), das mit zumindest einem auf Mikromechanik basierenden Ermüdungslebensdauermodell (20) zusammenwirkt, wobei das Ermüdungslebensdauermodell (20) die Ermüdungslebensdauer der Aluminiumlegierung vorhersagt, indem es zumindest einen Teil der empfangenen Information verarbeitet, wobei die empfangene Information zumindest eines von:einer kritischen Scherebene der Aluminiumlegierung, wo eine Scherdehnungsamplitude ihren maximalen Wert aufweist,einem Schädigungsfaktor der Aluminiumlegierung, wobei der Schädigungsfaktor durch zumindest einen aus einer Vielzahl von Schädigungsfaktorparametern definiert ist, die eine maximale Scherdehnungsamplitude, eine Normaldehnungsamplitude, eine maximale Normaldehnungsamplitude, eine Scherspannungsamplitude und eine Normalspannungsamplitude umfassen,einem Verfestigungsfaktor der Aluminiumlegierung, wobei der Verfestigungsfaktor durch zumindest einen aus einer Vielzahl von einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparametern definiert ist, die einen Ermüdungsfestigkeitskoeffizienten, einen Ermüdungsduktilitätskoeffizienten, einen Ermüdungsfestigkeitsexponenten und einen Ermüdungsduktilitätsexponenten umfassen, wobei die einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparameter mit den Wahrscheinlichkeiten von Fehlstellen und Mikrostrukturcharakteristika in der Aluminiumlegierung in Beziehung stehen,einem zusätzlichen Verfestigungsfaktor auf Grund von Dislokations-Wechselwirkungen in Mehrfachgleitsystemen, wobei der zusätzliche Verfestigungsfaktor durch zumindest einen von einem zusätzlichen Verfestigungskoeffizienten, einem Verfestigungs-Torsionsexponenten und einem Nicht-Proportionalitätswert definiert ist, wobei zumindest einer von dem zusätzlichen Verfestigungskoeffizienten, dem Verfestigungs-Torsionsexponenten und dem Nicht-Proportionalitätswert mit den Wahrscheinlichkeiten von Mikrostruktur- und Dislokationsstrukturen in der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, undeiner Mikrostrukturcharakteristik und thermophysikalischen und mechanischen Eigenschaften der Aluminiumlegierung, die durch zumindest eines von einer Fehlstellengröße, einem Volumenanteil der Fehlstellen, einem Sekundärdendritenarmabstand (SDAS, „secondary dendritite arm spacing“), einer Korngröße, einer Größe des Zweitphasenpartikels, einem Aspektverhältnis des Zweitphasenpartikels, einem Volumenanteil des Zweitphasenpartikels, einem Schermodulwert, einer Querdehnungszahl und einem Young'schen Modulwert definiert sind, umfasst.

Description

Hintergrund
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Vorhersage von Ermüdungslebensdauern von Aluminiumlegierungen und im Spezielleren Systeme, Verfahren und Herstellungsartikel zur Vorhersage von Ermüdungslebensdauern von Aluminiumlegierungen unter mehrachsiger proportionaler und/oder nicht proportionaler Beanspruchung.
Die Ermüdungslebensdauervorhersage von Aluminiumlegierungen, insbesondere Aluminiumgusskomponenten, stellte traditionellerweise nicht nur wegen der Mikrostrukturkomplexität, sondern auch wegen der Unsicherheit in Bezug auf die Fehlstellenhäufigkeit, eine Herausforderung dar. Unter mehrachsiger und insbesondere nicht proportionaler Beanspruchung spielen Fehlstellen und mikrostrukturelle Diskontinuitäten oft eine wichtige Rolle bei der Rissbildung und für Ermüdungseigenschaften. Man nimmt an, dass das Vorhandensein von Fehlstellen und Dislokationsanhäufung und -aufschichtung in der Nähe von Diskontinuitäten auf örtliche Spannungskonzentration und daraus resultierende Ermüdungsrissauslösung und -ausbreitung zurückzuführen sein kann. Das Ausmaß der Dislokationsanhäufung und -aufschichtung in der Nähe von Diskontinuitäten kann nicht nur von einem in der Aluminiumlegierung vorhandenen Spannungszustand, sondern auch von dem Beanspruchungspfad abhängig sein. Die Forschung gab den Hinweis, dass die Ermüdungslebensdauern von Aluminiumlegierungen wie z. B. 6063 und A356 unter kreisförmiger nicht proportionaler Beanspruchung im Allgemeinen viel kürzer sind als jene unter einer proportionalen Beanspruchung mit der gleichen äquivalenten Dehnungsamplitude. Die kürzeren Ermüdungslebensdauern können darauf zurückzuführen sein, dass Ebenen maximaler Scherung während einer nicht proportionalen Beanspruchung (sich) kontinuierlich rotieren und ändern. Infolgedessen häufen und schichten sich in der Nähe von Diskontinuitäten während einer nicht proportionalen Beanspruchung zunehmende Anzahlen von Dislokationen und beschleunigen dadurch die Ermüdungsrissauslösung und -ausbreitung und verkürzen somit die Ermüdungslebensdauern von Aluminiumlegierungen.
Aus der DE 690 09 456 T2 sind ein Verfahren und ein Gerät zur Überwachung der Ermüdung in einem Konstruktionsteil bekannt, bei denen ein Messriss überwacht wird, welcher der gleichen Betriebsgeschichte wie das Konstruktionsteil unterworfen ist, und bei denen der Messriss in einer Messanordnung eingeleitet wird, die unter anderem basierend auf einer erwarteten Grundlebensdauer des Konstruktionsteils ausgewählt wird. Dabei können Koeffizienten zur Ermittlung der erwarteten Grundlebensdauer eine Schädigung des Konstruktionsteils gemäß einem modifizierten Palmgren-Miner-Linearschaden-Summierungsgesetz berücksichtigen.
Es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System, ein Verfahren und einen Herstellungsartikel zur genauen Vorhersage von Ermüdungslebensdauern von Aluminiumlegierungen unter mehrachsiger Beanspruchung zu schaffen.
Zusammenfassung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und einen Herstellungsartikel mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
Vor dem obigen Hintergrund stellen die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Systeme, Verfahren und Herstellungsartikel zur Vorhersage von Ermüdungslebensdauern von Aluminiumlegierungen bereit. Im Spezielleren beziehen sich die Ausführungsformen allgemein auf Systeme, Verfahren und Herstellungsartikel, die Ermüdungslebensdauermodelle auf mikromechanischer Basis verwenden, um Ermüdungslebensdauern von Aluminiumlegierungen vorherzusagen. Die Ermüdungslebensdauermodelle können Information verarbeiten, die mit Aluminiumlegierungen und dem in den Aluminiumlegierungen vorhandenen Spannungszustand in Beziehung steht, um die Ermüdungslebensdauern derselben vorherzusagen. Die durch die Ermüdungslebensdauermodelle verarbeitete Information, die allgemein auf zyklische mehrachsige nicht proportionale Beanspruchung zurückzuführen ist, kann zumindest eines von: einer kritischen Scherebene einer Aluminiumlegierung, einem Schädigungsfaktor einer Aluminiumlegierung, einem Verfestigungsfaktor einer Aluminiumlegierung, einem zusätzlichen Verfestigungsfaktor auf Grund von Dislokations-Wechselwirkungen in Mehrfachgleitsystemen, einem Mikrostrukturcharakteristikwert und thermophysikalischen und mechanischen Eigenschaften einer Aluminiumlegierung umfassen, ist jedoch nicht unbedingt darauf beschränkt. Während sich der Großteil der Offenlegung der vorliegenden Anmeldung der Einfachheit halber nur auf eine nicht proportionale Beanspruchung bezieht, sollte einzusehen sein, dass sich diese Offenlegung im gleichen Ausmaß und genauso auf eine proportionale Beanspruchung bezieht.
In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform umfasst ein System zur Vorhersage einer Ermüdungslebensdauer einer Aluminiumlegierung unter zyklischer mehrachsiger Beanspruchung einen Informationseingang, einen Informationsausgang, eine Verarbeitungseinheit und ein computerlesbares Medium. Der Informationseingang ist ausgebildet, um zumindest eine von einer Information, die mit der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, und einer Information, die mit einem in der Aluminiumlegierung vorhandenen Spannungszustand und Mikrostrukturcharakteristika und thermophysikalischen und mechanischen Eigenschaften der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, zu empfangen. Der Informationsausgang ist ausgebildet, um Information, die mit der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, weiterzuleiten. Das computerlesbare Medium wirkt mit zumindest einem auf Mikromechanik basierenden Ermüdungslebensdauermodell zusammen, wobei das Ermüdungslebensdauermodell die Ermüdungslebensdauer der Aluminiumlegierung vorhersagt, indem es zumindest einen Teil der empfangenen Information verarbeitet. Die empfangene Information umfasst zumindest eines von: einer kritischen Scherebene der Aluminiumlegierung, wo eine Scherdehnungsamplitude ihren maximalen Wert aufweist; einem Schädigungsfaktor der Aluminiumlegierung, wobei der Schädigungsfaktor durch zumindest einen aus einer Vielzahl von Schädigungsfaktorparametern definiert ist, die eine maximale Scherdehnungsamplitude, eine Normaldehnungsamplitude, eine maximale Normaldehnungsamplitude, eine Scherspannungsamplitude und eine Normalscherspannungsamplitude umfassen; einem Verfestigungsfaktor der Aluminiumlegierung, wobei der Verfestigungsfaktor durch zumindest einen aus einer Vielzahl von einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparametern definiert ist, die einen Ermüdungsfestigkeitskoeffizienten, einen Ermüdungsduktilitätskoeffizienten, einen Ermüdungsfestigkeitsexponenten und einen Ermüdungsduktilitätsexponenten umfassen; wobei die einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparameter mit den Wahrscheinlichkeiten von Defekten und Mikrostrukturcharakteristika in der Aluminiumlegierung in Beziehung stehen; einem zusätzlichem Verfestigungsfaktor auf Grund von Dislokations-Wechselwirkungen in Mehrfachgleitsystemen, wobei der zusätzliche Verfestigungsfaktor durch zumindest einen von einem zusätzlichen Verfestigungskoeffizienten, einem Verfestigungs-Torsionsexponenten und einem Nicht-Proportionalitätswert definiert ist, wobei zumindest einer von dem zusätzlichen Verfestigungskoeffizienten, dem Verfestigungs-Torsionsexponenten und dem Nicht-Proportionalitätswert mit den Wahrscheinlichkeiten von Mikrostruktur- und Dislokationsstrukturen in der Aluminiumlegierung in Beziehung steht; und einer Mikrostrukturcharakteristik und thermophysikalischen und mechanischen Eigenschaften der Aluminiumlegierung, die durch zumindest eines von einer Fehlstellengröße, einem Volumenanteil der Fehlstellen, dem Sekun-därdendritenarmabstande(SDAS von secondary dendrite arm spacing), einer Korngröße, einer Größe des Zweitphasenpartikels, einem Aspektverhältnis des Zweitphasenpartikels, einem Volumenanteil des Zweitphasenpartikels, einem Schermodulwert, einer Querdehnungszahl und einem Young'schen Modulwert definiert sind.
Optional kann der Ermüdungsfestigkeitskoeffizient σ'_f der einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparameter mit einer Größe der Fehlstelle in der Aluminiumlegierung in Beziehung stehen. Auf der Grundlage der linear-elastischen Bruchmechanik (LEFM von linear elastic fracture mechanics) kann die Beziehung zwischen der Spannungsamplitude und der Ermüdungslebensdauer unter einachsiger Beanspruchung ausgedrückt werden als: $\frac{Δ σ}{2} = \frac{1}{2} B^{\frac{1}{m}} \times a_{i}^{\frac{1}{m} \frac{1}{2}} \times N_{f}^{\frac{1}{m}}$
wobei
α_i die Fehlstellengröße (z. B. die einer Pore oder eines Oxideinschlusses) ist; m der Ermüdungsriss-Wachstumsexponent nach dem Paris-Gesetz ist, wobei m zwischen etwa 3 und etwa 10 für Aluminiumgusslegierungen variieren kann; $B = {[\frac{m - 2}{2} C_{0} Y {(a_{i})}^{m} U_{R} {(a_{i})}^{m} π^{m / 2}]}^{- 1};$
und Y(α_i) der geometrische Korrekturfaktor ist. Für die Oberflächenfehlstelle (Riss) und eine innere Fehlstelle (Riss) kann Y(α_i) mit etwa 0,65 bzw. etwa 0,5 genommen werden. U_R(α_i) ist der Rissverschlussfaktor. Wenn R = -1, setzt der Wert U_R(α_i)=0,5 einfach voraus, dass der Riss vollständig offen wird, wenn die Normalspannung zu einem Zug wird. Bei hochzyklischer Ermüdung kann die Beziehung zwischen der Spannungsamplitude und der einachsigen Ermüdungslebensdauer auch ausgedrückt werden als: $\frac{Δ σ}{2} = 2^{b_{0}} σ_{f}^{'} N_{f}^{b_{0}}$
wobei bo der Ermüdungsfestigkeitsexponent ist. Durch Vergleichen von Gleichung (1) mit Gleichung (2) kann der Ermüdungfestigkeitskoeffizient σ'_f eine Funktion der Fehlstellengröße (α_i) sein und ausgedrückt werden als: $σ_{f}^{'} = F (a_{i}^{\frac{1}{m} \frac{1}{2}})$
und der Ermüdungsfestigkeitsexponent bo kann eine Funktion des Ermüdungsriss-Wachstumsexponenten nach dem Paris-Gesetz sein und ausgedrückt werden als: $b_{0} = F (- \frac{1}{m}) .$
Auch kann der Ermüdungsduktilitätskoeffizient ε'_f der einachsigen zyklischen Verfestigungsparameter ausgedrückt werden als: $ε_{f}^{'} = {(\frac{σ_{f}^{'}}{k'})}^{\frac{c_{0}}{b_{0}}} = {(\frac{σ_{f}^{'}}{k'})}^{\frac{1}{n'}} = F {(\frac{σ_{f}^{'}}{k'})}^{\frac{1}{n}}$
wobei k' und n' der zyklische Festigkeitskoeffizient bzw. der zyklische Dehnungs-Verfestigungsexponent ist; n ist der Zugdehnungs-Verfestigungsexponent ist, der mit zumindest einem von einem Volumenanteil von Fehlstellen, einem Volumenanteil von Zweitphasenpartikeln und dem Sekundärdendritenarmabstand ((SDAS), einem Maß für die Feinheit der Mikrostruktur) in der Aluminiumlegierung, in Beziehung stehen kann und ausgedrückt werden kann als: $σ_{r s} + C_{1} (f_{p} - f_{d}) α ε * + C_{2} (1 + {(f_{p} - f_{d})}^{\frac{1}{2}}) {[(\frac{C_{3}}{L} + \frac{C_{4}}{λ}) (n - ε *)]}^{\frac{1}{2}} = \frac{1}{2} C_{2} (1 + {(f_{p} - f_{d})}^{\frac{1}{2}}) {(\frac{C_{3}}{L} + \frac{C_{4}}{λ})}^{\frac{1}{2}} {(n - ε *)}^{- \frac{1}{2}}$
wobei σ_YS eine Dehngrenze ist; C₁, C₂, C₃, C₄ und L Konstanten sind; und ε* die Dehnung beim Einsetzen einer plastischen Relaxation ist, die z. B. für eine Al-Si-Mg-Gusslegierung experimentell bei etwa 0,007 ermittelt werden kann. f_p und f_d sind Volumenanteile von Zweitphasenpartikeln bzw. Fehlstellen; und λ ist der Sekundärdendritenarmabstand (SDAS). Des Weiteren kann der Ermüdungsduktilitätsexponent c₀ der einachsigen zyklischen Verfestigungsparameter auch mit dem Zugdehnungs-Verfestigungsexponenten n in Beziehung stehen und kann ausgedrückt werden als: $c_{0} = \frac{b_{0}}{n'} = \frac{b_{0}}{F (n)} .$
Der Zugdehnungs-Verfestigungsexponent n kann aus Gleichung (5) berechnet werden.
Ferner kann das Ermüdungslebensdauermodell optional ein niederzyklisches mehrachsiges Ermüdungslebensdauermodell umfassen. Das niederzyklische mehrachsige Ermüdungslebensdauermodell kann ausgedrückt werden als: $\frac{Δ γ_{max}}{2} \cdot \frac{Δ τ}{2} + \frac{Δ ε_{n}}{2} \cdot \frac{Δ σ_{n}}{2} = (\frac{3 + v_{e}}{4}) \frac{σ_{f}^{' 2}}{E} {(2 N_{f})}^{2 b_{0}} + (\frac{3 + v_{p}}{4}) σ_{f}^{'} ε_{f}^{'} {(2 N_{f})}^{b_{0} + c_{0}}$
wobei (N_f) die Ermüdungslebensdauer der Aluminiumlegierung ist; Δγ_max die maximale Scherdehnungsamplitude auf der kritischen Scherebene ist; Δτ die Scherspannungsamplitude auf der kritischen Scherebene ist; Δε_n die Normaldehnungsamplitude auf der kritischen Scherebene ist; Δσ_n die Normalspannungsamplitude auf der kritischen Scherebene ist; v_e und v_p die elastische bzw. die plastische Querdehnungszahl ist; E der Young'sche Modulwert ist; σ'_f der Ermüdungsfestigkeitskoeffizient ist; ε*_f der Ermüdungsduktilitätskoeffizient ist; und bo und c₀ der Ermüdungsfestigkeits- bzw. der Ermüdungsduktilitätsexponent ist. Die empfangene Information, die mit der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, kann ferner eine Dislokationsmobilität umfassen, die eine zusätzliche Verfestigung der Aluminiumlegierung während zyklischer mehrachsiger nicht proportionaler Beanspruchung zur Folge hat. Ein zusätzlicher Verfestigungsfaktor auf Grund von Dislokations-Wechselwirkungen in Mehrfachgleitsystemen, die durch eine zyklische mehrachsige nicht proportionale Beanspruchung aktiviert werden, kann durch zumindest einen von dem zusätzlichen Verfestigungskoeffizienten, dem Verfestigungsexponenten auf Grund von Torsion und dem Nicht-Proportionalitätswert definiert sein. Mit dem zusätzlichen Verfestigungsfaktor kann die niederzyklische Ermüdungslebensdauer dann nur unter Verwendung der maximalen Scherdehnungsamplitude auf der kritischen Scherebene Δy_max; und der Normaldehnungsamplitude auf der kritischen Scherebene Δε_n vorhergesagt werden. Hier kann das niederzyklische mehrachsige Ermüdungslebensdauermodell ausgedrückt werden als: $\frac{Δ γ_{max}}{2} + \frac{Δ ε_{n}}{2} = (\frac{3 + v_{e}}{2}) \frac{σ_{f}^{'}}{E} {(2 N_{f})}^{b_{0}} + (\frac{3 + v_{p}}{2}) {(1 + L_{0} Φ)}^{\frac{- 1}{n_{0}}} ε_{f}^{'} {(2 N_{f})}^{c_{0}}$
wobei Lo der zusätzliche Verfestigungskoeffizient unter nicht proportionalen Beanspruchungen ist und für Aluminiumgusslegierungen zwischen etwa 0,1 und etwa 0,15 variieren kann; n₀ der Verfestigungsexponent unter Torsionsbeanspruchung ist, der für Aluminiumgusslegierungen etwa 0,2-0,25 entsprechen kann; und Φ der Nicht-Proportionalitätswert ist. Wenn die Ermüdungslebensdauer unter mehrachsiger proportionaler Beanspruchung vorhergesagt wird, ist der Nicht-Proportionalitätswert Φ gleich null, da die Nicht-Proportionalität nicht von Bedeutung ist. Wenn die Ermüdungslebensdauer jedoch unter mehrachsiger nicht proportionaler Beanspruchung vorhergesagt wird, kann der Nicht-Proportionalitätswert Φ ausgedrückt werden als: $Φ = K_{c} \frac{{\bar{S_{n p}}}^{- 1 / 2} - {\bar{S_{p}}}^{- 1 / 2}}{{\bar{S_{c}}}^{- 1 / 2} - {\bar{S_{p}}}^{- 1 / 2}} = K_{c} \frac{{(\bar{S_{n p}} / \bar{S_{p}})}^{- 1 / 2} - 1}{{(\bar{S_{c}} / \bar{S_{p}})}^{- 1 / 2} - 1}$
wobei K_c eine Konstante ist und S_p , S_c , S_np statistische mittlere freie Gleitwege von Dislokationen in der Aluminiumlegierung unter proportionalen, Kreis- bzw. anderen nicht proportionalen Beanspruchungspfaden sind.
Ferner kann das Ermüdungslebensdauermodell optional ein hochzyklisches mehrachsiges Ermüdungslebensdauermodell umfassen, das ausgedrückt werden kann als: $\frac{Δ γ_{max}}{2} + \frac{Δ ε_{max}}{2} = (2 + v_{e}) \frac{σ_{f}^{'}}{E} {(2 N_{f})}^{b_{0}} + {(1 + L_{0} Φ)}^{\frac{- 1}{n_{0}}} (2 + v_{p}) ε_{f}^{'} {(2 N_{f})}^{c_{0}}$
wobei Δε_max die maximale Normaldehnungsamplitude auf der kritischen Scherebene ist. Wiederum ist der Nicht-Proportionalitätswert Φ gleich null, wenn die Ermüdungslebensdauer unter mehrachsiger proportionaler Beanspruchung vorhergesagt wird, da die Nicht-Proportionalität nicht von Bedeutung ist. Wenn die Ermüdungslebensdauer jedoch unter mehrachsiger nicht proportionaler Beanspruchung vorhergesagt wird, kann der Nicht-Proportionalitätswert Φ ausgedrückt und ermittelt werden wie in der obigen Gleichung (8).
In Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Vorhersage einer Ermüdungslebensdauer einer Aluminiumlegierung unter zyklischer mehrachsiger Beanspruchung, dass ein computerbasiertes System ausgebildet wird, um die Ermüdungslebensdauer vorherzusagen. Das computerbasierte System umfasst einen Informationseingang, einen Informationsausgang, zumindest einen von einem Informationsspeicher und einem Anweisungen speichernden Speicher; eine Zentraleinheit und ein computerlesbares Programmcodemittel zum Verarbeiten zumindest eines Teiles der von dem Informationseingang empfangenen Information. Das Verfahren umfasst ferner, dass die Ermüdungslebensdauer der Aluminiumlegierung mit dem computerbasierten System in Übereinstimmung mit Prozessen des computerlesbaren Programmcodemittels vorhergesagt wird.
In Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Herstellungsartikel zur Vorhersage einer Ermüdungslebensdauer einer Aluminiumlegierung unter zyklischer mehrachsiger Beanspruchung ein computerbasiertes System zur Vorhersage der Ermüdungslebensdauer.
Das computerbasierte System umfasst einen Informationseingang, einen Informationsausgang, zumindest einen von einem Informationsspeicher und einem Anweisungen speichernden Speicher; eine Zentraleinheit und ein computerlesbares Programmcodemittel zum Verarbeiten zumindest eines Teiles der von dem Informationseingang empfangenen Information. Das computerbasierte System sagt die Ermüdungslebensdauer der Aluminiumlegierung in Übereinstimmung mit Prozessen des computerlesbaren Programmcodemittels vorher.
Figurenliste
Die nachfolgende detaillierte Beschreibung spezifischer Ausführungsformen ist am besten beim Lesen in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Strukturen mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind und in denen:

1 eine graphische Darstellung ist, die Zug- und Torsionsspannungen und deren jeweilige Beanspruchungswellenformen in sowohl proportionalen als auch nicht proportionalen Beanspruchungspfaden veranschaulicht;
2A eine graphische Veranschaulichung von Spannungs- und Dehnungszuständen auf einer kritischen Ebene einer Aluminiumlegierung unter proportionaler Beanspruchung ist;
2B eine graphische Veranschaulichung von Spannungs- und Dehnungszuständen auf einer kritischen Ebene einer Aluminiumlegierung unter nicht proportionaler Beanspruchung ist;
3 eine graphische Veranschaulichung einer zusätzlichen Verfestigung ist, die in einer Aluminiumlegierung unter nicht proportionaler Beanspruchung beobachtet wird;
4 ein Blockdiagramm eines Systems zur Vorhersage einer Ermüdungslebensdauer einer Aluminiumlegierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
5 eine graphische Veranschaulichung eines Vergleichs zwischen beobachteten niederzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauern für eine Aluminiumgusslegierung und gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorhergesagten niederzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauern für die gleiche Legierung ist;
6 eine graphische Veranschaulichung eines Vergleichs zwischen beobachteten niederzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauern für eine Aluminiumgusslegierung und gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorhergesagten niederzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauern für die gleiche Legierung ist;
7 eine graphische Veranschaulichung eines Vergleichs zwischen beobachteten hochzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauern für eine Aluminiumlegierung und gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorhergesagten hochzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauern für die gleiche Legierung ist; und
8 eine graphische Veranschaulichung eines Vergleichs zwischen beobachteten hochzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauern für eine heißisostatisch nachverdichtete Aluminiumgusslegierung und gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorhergesagten hochzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauern für die gleiche Legierung ist.

Die in den Zeichnungen dargelegten Ausführungsformen sind rein illustrativ und sollen die durch die Ansprüche definierten Ausführungsformen nicht einschränken. Zudem werden einzelne Aspekte der Zeichnungen und der Ausführungsformen angesichts der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlicher und besser verständlich.
Detaillierte Beschreibung
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen allgemein Systeme, Verfahren und Herstellungsartikel zur Vorhersage von Ermüdungslebensdauern von Aluminiumlegierungen unter zyklischer mehrachsiger Beanspruchung. Wie oben erwähnt, kann die Ermüdungslebensdauer unter einer mehrachsigen proportionalen und/oder nicht proportionalen Beanspruchung unter Verwendung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorhergesagt werden. Als solches wird in Erwägung gezogen, dass die Ausführungsformen dazu dienen können, Ermüdungslebensdauern von Aluminiumlegierungen unter entweder mehrachsiger proportionaler oder nicht proportionaler Beanspruchung oder beiden vorherzusagen.
Die Ausführungsformen umfassen und/oder verwenden jeweils zumindest ein auf Mikromechanik basierendes Ermüdungslebensdauermodell, sind jedoch nicht darauf beschränkt, um zumindest eine von einer Information, die mit der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, und einer Information, die mit einem in der Aluminiumlegierung vorhandenen Spannungszustand in Beziehung steht, zu verarbeiten, um eine Ermüdungslebensdauer der Aluminiumlegierung vorherzusagen. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck „Aluminiumlegierung“ nicht nur auf eine Legierung selbst, sondern auch auf jede/s Teil, Produkt und oder Komponente, das/die zumindest teilweise aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet ist. Ferner bezieht sich der Ausdruck „Mikromechanik“ , wie hierin verwendet, allgemein auf eine Analyse einer Legierung und/oder eines Materials aus mehreren Komponenten (mehreren chemischen Elementen) auf dem Niveau einer oder mehrerer einzelner Phasen, die kumulativ eine Legierung oder einen Verbundwerkstoff ausmachen. Als solches berücksichtigen die hierin beschriebene auf Mikromechanik basierenden Ermüdungslebensdauermodelle die Wahrscheinlichkeiten von Fehlstellen und Mikrostrukturcharakteristika in der Aluminiumlegierung, wenn es die Ermüdungslebensdauer der Aluminiumlegierung unter mehrachsiger Beanspruchung derselben vorhersagt.
Außerdem bezieht sich der Ausdruck „proportional“, wie hierin verwendet, allgemein auf Beanspruchungspfade, wenn die Hauptdehnungsachsen einer Aluminiumlegierung unter mehrachsiger Beanspruchung im Wesentlichen einheitlich sind und sich nicht ändern, und der Ausdruck „nicht proportional“, wie hierin verwendet, bezieht sich allgemein auf Beanspruchungspfade, wenn die Hauptdehnungsachsen einer Aluminiumlegierung während zyklischer mehrachsiger Beanspruchung kontinuierlich rotieren und sich ändern und somit nicht proportional sind. Ein Beispiel für eine nicht proportionale Beanspruchung ist ein Aluminiumlegierungsstab, der abwechselnden Zyklen von Spannungs- und Torsionsbeanspruchung unterworfen ist. In diesem Beispiel dreht sich die Hauptdehnungsachse zwischen den Zug- und Torsionszyklen um etwa 45°. Eine phasenverschobene Beanspruchung ist eine Form von nicht proportionaler Beanspruchung und wird verwendet, um zyklische Beanspruchungshistorien mit Sinus- oder Dreieckwellenformen und einer Phasendifferenz zwischen den Beanspruchungen anzuzeigen. In 1 sind beispielhafte Beziehungen zwischen Zug- und Torsionsspannungen und deren jeweiligen Beanspruchungswellenformen unter verschiedenen Beanspruchungspfaden aufgelistet.
2 veranschaulicht graphisch ein Beispiel eines Spannungs- und Dehnungszustandes auf einer kritischen Ebene einer A356 Aluminiumlegierung, die einer äquivalenten Dehnungsamplitude von Δε_eq/2 = 0,22 % unterworfen ist. In den Graphiken, die in den 2A und 2B gezeigt sind, sind die jeweiligen Scher- und Normalspannungs- und Normaldehnungsamplituden auf einer kritischen Ebene, die z. B. rechtwinklig zu der zylindrischen Oberfläche eines dünnwandigen Rohrprobestückes steht, als Funktionen von Winkeln zwischen der kritischen Ebene und der Achse des zylindrischen Probestückes gezeigt. Unter proportionaler Beanspruchung (2A) sind die Scherspannungsamplitude Δτ und die Scherdehnungsamplitude Δγ auf der kritischen Ebene phasenverschoben mit der Normalspannungsamplitude Δσ und der Normaldehnungsamplitude Δε. Somit, wie z. B. in 2A gezeigt, liegen, wenn die Normalspannungsamplitude Δσ und die Normaldehnungsamplitude Δε bei ihren jeweiligen maximalen Werten liegen, die Scherspannungsamplitude Δτ und die Scherdehnungsamplitude Δγ nicht bei ihren jeweiligen maximalen Werten und sie liegen tatsächlich typischerweise bei oder nahe bei ihren jeweiligen minimalen Werten. Somit folgt auch, dass, wenn die Scherspannungsamplitude Δτ und die Scherdehnungsamplitude Δγ bei ihren jeweiligen maximalen Werten liegen, die Normalspannungsamplitude Δσ und die Normaldehnungsamplitude Δε nicht bei ihren jeweiligen maximalen Werten liegen und tatsächlich typischerweise oder nahe bei ihren jeweiligen minimalen Werten liegen.
Unter nicht proportionaler Beanspruchung (2B) jedoch sind die Scherspannungsamplitude Δτ und die Scherdehnungsamplitude Δγ auf der kritischen Ebene phasengleich und gleichlaufend oder im Wesentlichen gleichlaufend mit der Normalspannungsamplitude Δσ und der Normaldehnungsamplitude Δε. Somit liegen die Scherspannungsamplitude Δτ und die Scherdehnungsamplitude Δγ bei oder nahe bei ihren jeweiligen maximalen Werten, wenn die Normalspannungsamplitude Δσ und die Normaldehnungsamplitude Δε bei ihren jeweiligen maximalen Werten liegen und vice versa. Somit folgt auch, dass die Scherspannungsamplitude Δτ und die Scherdehnungsamplitude Δγ bei oder nahe bei ihren jeweiligen minimalen Werten liegen, wenn die Normalspannungsamplitude Δσ und die Normaldehnungsamplitude Δε bei ihren jeweiligen minimalen Werten liegen und vice versa. Die phasengleiche und gleichlaufende Maximierung oder annähernde Maximierung sowohl der Scherspannungs- und Scherdehnungsamplituden als auch der Normalspannungs- und Normaldehnungsamplituden fördert die Ermüdungsrissauslösung und -ausbreitung in der Aluminiumlegierung. Als solches haben Aluminiumlegierungen unter proportionaler Beanspruchung typischerweise längere Ermüdungslebensdauern als Aluminiumlegierungen unter nicht proportionaler Beanspruchung mit der gleichen äquivalenten Dehnungsamplitude wie jener der proportionalen Beanspruchung.
Eine zusätzliche Verfestigung findet während dieser Art von nicht proportionaler Beanspruchung statt. Solch eine zusätzliche Verfestigung ist typischerweise in einem einachsigen oder jedem proportionalen Beanspruchungspfad nicht festzustellen. 3 veranschaulicht grafisch ein Beispiel von umgewandelten effektiven Spannungen und Dehnungen unter einem nicht proportionalen Beanspruchungspfad mit einer um 90° phasenverschobenen Zug-Torsionsbeanspruchung. Es hat sich gezeigt, dass der um 90° phasenverschobene Beanspruchungspfad den höchsten Grad an nicht proportionaler zusätzlicher Verfestigung produziert. Die Größe der für diesen Beanspruchungspfad beobachteten zusätzlichen Verfestigung im Vergleich zu dem in einer einachsigen oder proportionalen Beanspruchung beobachteten ist allgemein stark von den Mikrostrukturcharakteristika und der Leichtigkeit, mit der sich Gleitsysteme in einem Material entwickeln, abhängig. Es hat sich z. B. gezeigt, dass der Kreisbeanspruchungspfad in Aluminiumlegierungen die maximale zusätzliche Verfestigung unter verschiedenen um 90° phasenverschobenen bewerteten Beanspruchungspfaden produziert.
Die verkürzten Ermüdungslebensdauern von Aluminiumlegierungen können aus einer Anzahl von Gründen, die von den Anwendungen der Legierungen abhängig sind, problematisch sein. Zum Beispiel kann in der Automobilindustrie das Versagen von Aluminium-Fahrzeugkomponenten Garantiekosten erhöhen und es kann die Qualität und das Leistungsvermögen der Komponente negativ beeinflussen. Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dienen dazu, Ermüdungslebensdauern von Aluminiumlegierungen während ihrer Entwicklungsstufen und vor ihren Anwendungen vorherzusagen, und als solche können sie derartige Probleme eliminieren oder deren Auswirkungen minimieren. Darüber hinaus können die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Entwicklungs- und Beobachtungs/Test-Zyklen von Aluminiumkomponenten, die traditionellerweise erforderlich sind, um die Ermüdungslebensdauer zu messen, deutlich reduzieren.
In einer Ausführungsform, die in einem Blockdiagramm in 4 dargestellt ist, umfasst ein System 10 zur Vorhersage einer Ermüdungslebensdauer einer Aluminiumlegierung unter zyklischer mehrachsiger Beanspruchung einen Informationseingang 12, einen Informationsausgang 14, eine Verarbeitungseinheit 16, ein computerlesbares Medium 18 und zumindest ein auf Mikromechanik basierendes Ermüdungslebensdauermodell 20. Der Informationseingang 12 ist ausgebildet, um zumindest eine von einer Information, die mit der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, und einer Information, die mit einem in der Aluminiumlegierung vorhandenen Spannungszustand in Beziehung steht, zu empfangen, wobei diese Information hierin zusammengefasst als „empfangene Information“ bezeichnet wird. Der Informationsausgang 14 ist ausgebildet, um Information weiterzuleiten, die mit der Aluminiumlegierung in Beziehung steht. Das computerlesbare Medium 18 wirkt mit dem auf Mikromechanik basierenden Ermüdungslebensdauermodell 20 zusammen, um die Ermüdungslebensdauer der Aluminiumlegierung durch Verarbeiten der empfangenen Information vorherzusagen. Die von dem Informationsausgang 14 weitergeleitete Information, die mit der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, umfasst die durch das Ermüdungslebensdauermodell 20 vorhergesagte Ermüdungslebensdauer der Aluminiumlegierung. Die Verarbeitungseinheit 16 kann eine Zentraleinheit sein, die in das System 10 eingegebene Anweisungen interpretieren kann, eine Datenverarbeitungseinheit, die Daten oder andere Information übersetzen oder Daten in eine andere Datenform umwandeln kann, oder eine andere Verarbeitungseinheit sein. Es wird in Erwägung gezogen, dass der Informationseingang 12, der Informationsausgang 14, die Verarbeitungseinheit 16 und das computerlesbare Medium 18 als ein/e beliebige/r /s herkömmliche/r/s Informationseingang, Informationsausgang, Verarbeitungseinheit und computerlesbares Medium, wie auf dem technischen Gebiet bekannt, die/das betrieben werden kann, um, wie hierin beschrieben zu arbeiten, vorgesehen sein oder diese/n/s umfassen kann. Außerdem wird in Erwägung gezogen, dass das hierin beschriebene System 10 ein computerbasiertes System oder ein anderes maschinenbasiertes oder implementiertes System sein kann, das betrieben werden kann, um, wie hierin beschrieben zu arbeiten.
Die von dem Informationseingang empfangene Information, die mit dem in der Aluminiumlegierung vorhandenen Spannungszustand in Beziehung steht, umfasst zumindest eines von: einer kritischen Scherebene der Aluminiumlegierung und einem Schädigungsfaktor der Aluminiumlegierung. Die kritische Scherebene der Aluminiumlegierung ist dort, wo eine Scherdehnungsamplitude ihren maximalen Wert aufweist. Die kritische Scherebene kann z. B. rechtwinklig zu einer zylindrischen Oberfläche eines dünnwandigen Rohrprobestücks stehen. Der Schädigungsfaktor der Aluminiumlegierung ist auf die zyklische mehrachsige Beanspruchung zurückzuführen. Der Schädigungsfaktor ist durch zumindest einen aus einer Vielzahl von Schädigungsfaktorparametern definiert, die eine maximale Scherdehnungsamplitude Δγ_max, eine Scherspannungsamplitude Δτ, eine maximale Normaldehnungsamplitude Δε_max, eine Normaldehnungsamplitude Δε_n und eine Normalspannungsamplitude Δσ_n umfassen.
Der Verfestigungsfaktor der Aluminiumlegierung ist auch auf eine zyklische mehrachsige Beanspruchung zurückzuführen. Der Verfestigungsfaktor ist durch zumindest einen aus einer Vielzahl von einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparametern definiert. Die einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparameter stehen mit den Wahrscheinlichkeiten von Fehlstellen und Mikrostrukturcharakteristika in der Aluminiumlegierung in Beziehung. Die einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparameter können durch niederzyklische, einachsige Dehnungs-Lebensdauerermüdungstests ermittelt werden. In einer Ausführungsform umfassen die einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparameter einen Ermüdungsfestigkeitskoeffizienten σ'_f, einen Ermüdungsduktilitätskoeffizienten ε'_f, einen Ermüdungsfestigkeitsexponenten bo und einen Ermüdungsduktilitätsexponenten c₀. Der Ermüdungsfestigkeitskoeffizient σ'_f der einachsigen zyklischen Verfestigungsparameter kann mit einer Größe der Fehlstelle in der Aluminiumlegierung in Beziehung stehen.
Auf der Grundlage der linear-elastischen Bruchmechanik (LEFM von linear elastic fracture mechanics) kann die Beziehung zwischen der Spannungsamplitude und der Ermüdungslebensdauer unter einachsiger Beanspruchung ausgedrückt werden als: $\frac{Δ σ}{2} = \frac{1}{2} B^{\frac{1}{m}} \times a_{i}^{\frac{1}{m} \frac{1}{2}} \times N_{f}^{\frac{1}{m}}$
wobei α_i die Fehlstellengröße (z. B. die einer Pore oder eines Oxideinschlusses) ist; m der Ermüdungsriss-Wachstumsexponent nach dem Paris-Gesetz ist, der zwischen etwa 3 und etwa 10 für Aluminiumgusslegierungen variieren kann; $B = {[\frac{m - 2}{2} C_{0} Y {(a_{i})}^{m} U_{R} {(a_{i})}^{m} π^{m / 2}]}^{- 1};$
und Y (a_i) der geometrische Korrekturfaktor ist. Für die Oberflächenfehlstelle (Riss) und eine innere Fehlstelle (Riss) kann Y(α_i) mit etwa 0,65 bzw. etwa 0,5 genommen werden. U_R(α_i) ist der Rissverschlussfaktor. Wenn R = -1 setzt der Wert U_R(α_i)=0,5 einfach voraussetzen, dass der Riss vollständig offen wird, wenn die Normalspannung zu einem Zug wird. Bei hochzyklischer Ermüdung kann die Beziehung zwischen der Spannungsamplitude und der einachsigen Ermüdungslebensdauer auch ausgedrückt werden als: $\frac{Δ σ}{2} = 2^{b_{0}} σ_{f}^{'} N_{f}^{b_{0}}$
wobei bo der Ermüdungsfestigkeitsexponent ist. Durch Vergleichen von Gleichungen (10) und (11) kann der Ermüdungfestigkeitskoeffizient σ'_f eine Funktion der Fehlstellengröße sein und ausgedrückt werden als: $σ_{f}^{'} = F (a_{i}^{\frac{1}{m} \frac{1}{2}})$
Der Ermüdungsfestigkeitsexponent b₀ kann eine Funktion des Ermüdungsriss-Wachstumsexponenten nach dem Paris-Gesetz sein und ausgedrückt werden als: $b_{0} = F (- \frac{1}{m}) .$
b₀ Auch kann der Ermüdungsduktilitätskoeffizient ε'_f der einachsigen zyklischen Verfestigungsparameter ausgedrückt werden als: $ε_{f}^{'} = {(\frac{σ_{f}^{'}}{k'})}^{\frac{c_{0}}{b_{0}}} = {(\frac{σ_{f}^{'}}{k'})}^{\frac{1}{n'}} = F {(\frac{σ_{f}^{'}}{k'})}^{\frac{1}{n}}$
wobei k' und n'der zyklische Festigkeitskoeffizient bzw. der zyklische Dehnungs-Verfestigungsexponent ist; n der Zugdehnungs-Verfestigungsexponent ist, der mit zumindest einem von einem Volumenanteil von: Fehlstellen, einem Volumenanteil von Zweitphasenpartikeln und dem Sekundärdendritenarmabstand ((SDAS), einem Maß für die Feinheit der Mikrostruktur) in der Aluminiumlegierung in Beziehung stehen kann. n kann ausgedrückt werden als: $σ_{r s} + C_{1} (f_{p} - f_{d}) α ε * + C_{2} (1 + {(f_{p} - f_{d})}^{\frac{1}{2}}) {[(\frac{C_{3}}{L} + \frac{C_{4}}{λ}) (n - ε *)]}^{\frac{1}{2}} = \frac{1}{2} C_{2} (1 + {(f_{p} - f_{d})}^{\frac{1}{2}}) {(\frac{C_{3}}{L} + \frac{C_{4}}{λ})}^{\frac{1}{2}} {(n - ε *)}^{- \frac{1}{2}}$
wobei σ'YS die Dehngrenze ist; C₁, C₂, C₃, C₄ und L Konstanten sind; und ε* die Dehnung beim Einsetzen einer plastischen Relaxation ist, die z. B. für eine Al-Si-Mg-Gusslegierung experimentell bei etwa 0,007 ermittelt werden kann., f_p und f_d sind Volumenanteile von Zweitphasenpartikeln bzw. Fehlstellen; und λ ist der Sekundärdendritenarmabstand (SDAS). Des Weiteren kann der Ermüdungsduktilitätsexponent c₀ der einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparameter auch mit dem Zugdehnungs-Verfestigungsexponenten (n) in Beziehung stehen und er kann ausgedrückt werden als: $c_{0} = \frac{b_{0}}{n'} = \frac{b_{0}}{F (n)} .$
Der Zugdehnungs-Verfestigungsexponent n kann aus Gleichung (14) berechnet werden. Ferner, in einer weiteren Ausführungsform, kann die von dem Informationseingang empfangene Information Mikrostrukturcharakteristika und thermophysikalische und mechanische Eigenschaften umfassen und kann zumindest eines von: dem Sekundärdendritenarmabstand (SDAS), einer Korngröße, einer Zweitphasenpartikelgröße, einem Aspektverhältnis der Zweitphasenpartikel, einer Fehlstellengröße, einem Volumenanteil von Fehlstellen, einem Volumenanteil der Zweitphasenpartikel und einem Schermodulwert umfassen. Des Weiteren kann die empfangene Information zusätzlich oder alternativ zu dem Obigen zumindest eines von einer Querdehnungszahl, einem Young'schen Modulwert und einem zusätzlichen Verfestigungsfaktor der Aluminiumlegierung umfassen, der auf eine zusätzliche Schädigung an der Aluminiumlegierung unter zyklischer mehrachsiger nicht proportionaler Beanspruchung zurückzuführen ist. Im Spezielleren berücksichtigt der zusätzliche Verfestigungsfaktor den Einfluss der Nicht-Proportionalität in der plastischen Deformation und somit die Ermüdungsrissauslösung und -ausbreitung. Als solches ist der zusätzliche Verfestigungsfaktor auf Grund von Dislokations-Wechselwirkungen in Mehrfachgleitsystemen, die durch eine zyklische mehrachsige nicht proportionale Beanspruchung aktiviert werden, durch zumindest einen von: einem zusätzlichen Verfestigungskoeffizienten unter nicht proportionaler Beanspruchung (L₀), einem Verfestigungsexponenten unter Torsionsbeanspruchung (n₀); und einem Nicht-Proportionalitätswert (Φ) definiert. Zum Beispiel, für Aluminiumgusslegierungen, liegt der zusätzliche Verfestigungskoeffizient (L₀) allgemein zwischen etwa 0,1 und etwa 0,15 und der Verfestigungsexponent unter Torsion (no) variiert allgemein zwischen etwa 0,2 und etwa 0,25; ferner kann der Nicht-Proportionalitätswert (Φ) ausgedrückt werden als: $Φ = K_{c} \frac{{\bar{S_{n p}}}^{- 1 / 2} - {\bar{S_{p}}}^{- 1 / 2}}{{\bar{S_{c}}}^{- 1 / 2} - {\bar{S_{p}}}^{- 1 / 2}} = K_{c} \frac{{(\bar{S_{n p}} / \bar{S_{p}})}^{- 1 / 2} - 1}{{(\bar{S_{c}} / \bar{S_{p}})}^{- 1 / 2} - 1}$
wobei K_c eine Konstante ist und S_p , S_c , S_np statistische mittlere freie Gleitwege von Dislokationen in der Aluminiumlegierung unter proportionalen, Kreis- bzw. anderen nicht proportionalen Beanspruchungspfaden sind. Somit ist der Nicht-Proportionalitätswert als ein Mittelwert von freien Gleitwegen von Dislokationen definiert, die in Übereinstimmung mit dem Beanspruchungspfad variieren können, wie in Tabelle 1 gezeigt. Es sollte angemerkt werden, dass sich „nicht proportional“, wie hierin verwendet, auf Beanspruchungspfade wie z. B. Kreis-, Rauten-, Quadrat-, rechteckige, Ellipsenbeanspruchungspfade, wie in Tabelle 1 dargestellt, und andere Beanspruchungspfade bezieht, die nicht proportional auf die Aluminiumlegierung gerichtet sind. Ferner, wie in Tabelle 1 gezeigt, wenn eine Ermüdungslebensdauer unter mehrachsiger proportionaler Beanspruchung vorhergesagt wird, ist der Nicht-Proportionalitätswert Φ gleich null, da die Nicht-Proportionalität ein Nicht-Faktor ist und nicht von Bedeutung ist. Wenn jedoch eine Ermüdungslebensdauer unter mehrachsiger nicht proportionaler Beanspruchung vorhergesagt wird, kann der Nicht-Proportionalitätswert Φ mit Gleichung (15) ausgedrückt und ermittelt werden. Tabelle 1. Nicht-Proportionalitätswerte unter verschiedenen Beanspruchungspfaden.

Beanspruchungspfad Kreis Raute Quadrat Rechteck Ellipse Proportional

Nicht-Proportionalität (Φ) 0,75 0,675 0,67 0,60 0,50 0
Ferner kann die von dem Informationseingang empfangene Information mit detaillierten Mikrostrukturcharakteristika der Aluminiumlegierung in Beziehung stehen, die mithilfe von Parametern bereitgestellt werden können, die mit einer mathematischen Mehrskalenmodellierung von Gieß-, Erstarrungs- und Wärmebehandlungsprozessen in Beziehung stehen. Die Mittelwerte der Mikrostrukturcharakteristika, z. B. eine mittlere Größe von Poren oder Zweitphasenpartikeln, werden auf der Grundlage einer nominalen Basislinie der Gieß-, Erstarrungs- und Wärmebehandlungsprozessparameter der Legierungszusammensetzung berechnet. Die Wahrscheinlichkeiten der Mikrostrukturcharakteristika können von statistischen Schwankungen der Legierungszusammensetzungs-, Gieß-, Erstarrungs- und Wärmebehandlungsprozessparameter abhängig sein.
Die von dem Informationseingang empfangene Information, die mit den Mikrostrukturcharakteristika der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, kann mit verschiedenen Messmitteln bereitgestellt werden, welche herkömmliche zweidimensionale metallographische Messungen umfassen. Metallographische Techniken finden in der Praxis breite Verwendung, um Gussfehlstellen und Mikrostrukturcharakteristika in zwei Dimensionen (2D) zu charakterisieren. Mit den herkömmlichen metallographischen 2D-Daten können die Größenverteilungen von Gussfehlstellen und andere Mikrostrukturcharakteristika mittels Extremwertstatistik (EVS von extreme value statistics) mit einer kumulativen Verteilungsfunktion beschrieben werden, wie z. B: $F (x) = exp (- exp (- \frac{x - ς}{δ}))$
wobei x der charakteristische Parameter von Gussfehlstellen oder Mikrostrukturcharakteristika ist und ζ und δ als statistische Verteilungs-Extremwertparameter bezeichnet werden. Es wird in Erwägung gezogen, dass Gleichung (16) nur beispielhaft für solche Funktionen ist und andere ähnliche Verteilungsfunktionen verwendet werden können, um die experimentelle Daten anzupassen.
Das auf Mikromechanik basierende Ermüdungslebensdauermodell sagt die Ermüdungslebensdauer der Aluminiumlegierung vorher, indem es zumindest einen Teil der von dem Informationseingang empfangenen Information verarbeitet, In einer Ausführungsform umfasst das Ermüdungslebensdauermodell ein niederzyklisches mehrachsiges Ermüdungslebensdauermodell. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck „niederzyklisch“ darauf, wenn die Ermüdungslebensdauer (N_f) einer Aluminiumlegierung kürzer ist als 10⁴ Zyklen (N_f<10⁴ Zyklen). Eine Ausführungsform eines niederzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauermodells kann ausgedrückt werden als: $\frac{Δ γ_{max}}{2} \cdot \frac{Δ τ}{2} + \frac{Δ ε_{n}}{2} \cdot \frac{Δ σ_{n}}{2} = (\frac{3 + v_{e}}{4}) \frac{σ_{f}^{' 2}}{E} {(2 N_{f})}^{2 b_{0}} + (\frac{3 + v_{p}}{4}) σ_{f}^{'} ε_{f}^{'} {(2 N_{f})}^{b_{0} + c_{0}}$
Das niederzyklische mehrachsige Ermüdungslebensdauermodell von Gleichung (17) kann eine Ermüdungslebensdauer (N_f) einer Aluminiumlegierung vorhersagen, wenn die maximale Scherdehnungsamplitude (Δγ_max), die Scherspannungsamplitude (Δτ), die Normaldehnungsamplitude (Δε_n) und die Normalspannungsamplitude (Δσ_n) und deren zugrunde liegenden Beziehungen auf der kritischen Scherebene bekannt sind.
5 veranschaulicht graphisch einen beispielhaften Vergleich von niederzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauern einer A356 Aluminiumgusslegierung, beobachtet unter Verwendung herkömmlicher Ermüdungslebensdauer-Messmethoden, die die Beobachtung von physikalischen Ermüdungstests umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind, und niederzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauern der gleichen Legierung, die unter Verwendung des niederzyklischen Ermüdungslebensdauermodells von Gleichung (17) vorhergesagt wurden. Hier beträgt der Young'sche Modulwert 74 GPa und die einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparameter sind wie folgt gegeben: Δσ_f = 360 MPa, b₀ = -0,125, ε'_f = -0,12, c₀ = 0,61. Für eine A356 Aluminiumlegierung beträgt die elastische Querdehnungszahl (v_e) 0,3 und die plastische Querdehnungszahl (v_p) beträgt 0,5. Der Vergleich von 5 offenbart, dass die unter Verwendung des niederzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauermodells von Gleichung (17) vorhergesagten Ermüdungslebensdauern im Wesentlichen in Übereinstimmung mit den beobachteten Ermüdungslebensdauern sind, wobei beinahe alle von den aufgetragenen Ermüdungslebensdauerpunkten innerhalb eines 1,5-fachen Streuungsbandes für sowohl proportionale als auch Kreis-, d. h., nicht proportionale, Beanspruchungspfade liegen.
Eine weitere Ausfühnangsform des niederzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauermodells kann ausgedrückt werden als: $\frac{Δ γ_{max}}{2} + \frac{Δ ε_{n}}{2} = (\frac{3 + v_{e}}{2}) \frac{σ_{f}^{'}}{E} {(2 N_{f})}^{b_{0}} + (\frac{3 + v_{p}}{2}) {(1 + L_{0} Φ)}^{\frac{- 1}{n_{0}}} ε_{f}^{'} {(2 N_{f})}^{c_{0}}$
Das niederzyklische mehrachsige Ermüdungslebensdauermodell von Gleichung (18) kann eine Ermüdungslebensdauer (N_f) einer Aluminiumlegierung vorhersagen, wenn eine oder mehrere von der maximalen Scherdehnungsamplitude (Δγ_max), der Scherspannungsamplitude (Δτ), der Normaldehnungsamplitude (Δε_n) und der Normalspannungsamplitude {Δσ_n) und deren zugrundeliegenden Beziehungen auf der kritischen Scherebene nicht bekannt sind. Des Weiteren offenbart ein Vergleich von Gleichung (17) und Gleichung (18), dass, während Gleichung (18) die Spannungs- und Dehnungsprozesse von Gleichung (17) vereinfacht, Gleichung (18) den Einfluss der Nicht-Proportionalität auf die Aluminiumlegierung berücksichtigt, indem sie den zusätzlichen Verfestigungsfaktor auf Grund von Dislokations-Wechselwirkungen in Mehrfachgleitsystemen (d. h. zumindest einen von dem Verfestigungskoeffizienten unter nicht proportionaler Beanspruchung (L₀), dem Verfestigungsexponenten unter Torsionsbeanspruchung (no) und dem Nicht-Proportionalitätswert (Φ)) verarbeitet, der von Gleichung (17) nicht berücksichtigt wird.
6 veranschaulicht graphisch einen beispielhaften Vergleich von beobachteten niederzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauern einer A356 Aluminiumgusslegierung und niederzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauern der gleichen Legierung, die unter Verwendung des niederzyklischen Ermüdungslebensdauermodells von Gleichung (18) vorhergesagt wurden. Hier beträgt der Young'sche Modulwert (E) 74 GPa und die einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparameter sind wie folgt gegeben: Δσ_f = 360 MPa, bo = -0,125, ε'_f = 0,12, c₀ = -0,61. Für eine A356 Aluminiumlegierung beträgt die elastische Querdehnungszahl (v_e) 0,3 und die plastische Querdehnungszahl (v_p) beträgt 0,5. Der Verfestigungskoeffizient unter nicht proportionaler Beanspruchung (L₀) beträgt 0,141 und der Verfestigungsexponent unter Torsionsbeanspruchung (no) beträgt 0,22. Der Vergleich von 6 offenbart, dass, während die Genauigkeit der durch Gleichung (18) vorhergesagten Ermüdungslebensdauern mit den beobachteten Ermüdungslebensdauern etwas geringer ist als die durch Gleichung (17) bereitgestellte Genauigkeit, eine beträchtliche Übereinstimmung zwischen den durch Gleichung (18) vorhergesagten Ermüdungslebensdauern und den beobachteten Ermüdungslebensdauern bleibt, wobei beinahe alle von den aufgetragenen Ermüdungslebensdauerpunkten innerhalb eines 2-fachen Streuungsbandes für sowohl proportionale als auch Kreis-, d. h., nicht proportionale, Beanspruchungspfade unter Berücksichtigung des Einflusses der Nicht-Proportionalität liegen.
In einer weiteren Ausführungsform des auf Mikromechanik basierenden Ermüdungslebensdauermodells umfasst das Ermüdungslebensdauermodell ein hochzyklisches mehrachsiges Ermüdungslebensdauermodell. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck „hochzyklisch“ darauf, wenn die Ermüdungslebensdauer (N_f) einer Aluminiumlegierung länger ist als 10⁴ Zyklen (N_f>10⁴ Zyklen). In hochzyklischen Ermüdungssystemen ist die angewendete Spannung auf der Aluminiumlegierung üblicherweise gering und als solche kann die Länge der Zeit vor einer Auslösung von Ermüdungsrissen im Wesentlichen lang sein. Zum Beispiel kann in metallischen Materialien die Länge der Zeit vor einer Ermüdungsrissauslösung 90 % der Gesamtermüdungslebensdauer des Materials betragen. Ferner steht unter mehrachsiger Beanspruchung die treibende Kraft für eine Ermüdungsrissauslösung allgemein in direkter Beziehung mit der maximalen Normaldehnung auf der kritischen Scherebene.
In einer Ausführungsform wird das hochzyklische mehrachsige Ermüdungslebensdauermodell für Aluminiumlegierungen unter mehrachsiger nicht proportionaler Beanspruchung ausgedrückt als: $\frac{Δ γ_{max}}{2} + \frac{Δ ε_{max}}{2} = (2 + v_{e}) \frac{σ_{f}^{'}}{E} {(2 N_{f})}^{b_{0}} + {(1 + L_{0} Φ)}^{\frac{- 1}{n_{0}}} (2 + v_{p}) ε_{f}^{'} {(2 N_{f})}^{c_{0}}$
wobei Δε_max die maximale Normaldehnungsamplitude ist. Gleichung (19) ist spezifisch für die Anwendung auf hochzyklische Systeme, während die Gleichungen (17) und (18) spezifisch für die Anwendung auf niederzyklische Systeme sind. Des Weiteren vereinfacht Gleichung (19) die Spannungs- und Dehnungsprozesse von Gleichung (17), berücksichtigt jedoch den Einfluss der Nicht-Proportionalität auf die Aluminiumlegierung, indem sie den zusätzlichen Verfestigungsfaktor auf Grund von Dislokations-Wechselwirkungen in Mehrfachgleitsystemen verarbeitet, der von Gleichung (17) nicht berücksichtigt wird.
Die Tabelle 2 und 7 stellen einen beispielhaften Vergleich von beobachteten hochzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauern einer 6063 Aluminiumlegierung bereit. Im Spezielleren veranschaulicht 7 graphisch einen beispielhaften Vergleich von beobachteten hochzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauern einer 6063 Aluminiumlegierung und unter Verwendung des hochzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauermodells von Gleichung (19) vorhergesagten hochzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauern der gleichen Legierung. Hier beträgt der Young'sche Modulwert (E) 68 GPa und die einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparameter sind wie folgt gegeben: Δσ'_f = 411 MPa, bo = -0,1, ε'_f = 0,2, c₀ = -0,67. Für die 6063 Aluminiumlegierung beträgt die elastische Querdehnungszahl (v_e) 0,3 und die plastische Querdehnungszahl (v_p) beträgt 0,5. Der zusätzliche Verfestigungskoeffizient unter nicht proportionaler Beanspruchung (L₀) beträgt 0,11 und der Verfestigungsexponent unter Torsionsbeanspruchung (n₀) beträgt 0,2. Der Vergleich von 7 offenbart, dass die unter Verwendung des hochzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauermodells von Gleichung (19) vorhergesagten Ermüdungslebensdauern mit den beobachteten Ermüdungslebensdauern im Wesentlichen übereinstimmen, wobei beinahe alle von den aufgetragenen Ermüdungslebensdauerpunkten innerhalb eines 1,5-fachen Streuungsbandes für sowohl proportionale als auch nicht proportionale Beanspruchungspfade liegen.

Die Tabelle 2 stellt einen beispielhaften Vergleich von beobachteten hochzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauern und vorhergesagten hochzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauern (unter Verwendung des Ermüdungslebensdauermodells von Gleichung (19)) einer 6063 Aluminiumlegierung unter verschiedenen nicht proportionalen Beanspruchungspfaden bereit. Tabelle 2. Vergleich von vorhergesagten und beobachteten Ermüdungslebensdauern einer 6063 Aluminiumlegierung unter verschiedenen nicht proportionalen Beanspruchungspfaden.

Beanspruchungspfad	Nicht-Proportionalität Φ	Beobachtete Ermüdungslebensdauer	Vorhergesagte Ermüdungslebensdauer	Verhältnis zwischen vorhergesagter/beobachteter Ermüdungslebensdauer
Ellipse	0,5	1,3x10⁵	1,8x10⁵	1,38
Rechteck	0,6	8,1x10⁴	1,0x10⁵	1,23
Quadrat	0,67	6,8x10⁴	4,0x10⁴	0,59

Unterdessen veranschaulicht 8 graphisch einen beispielhaften Vergleich von beobachteten hochzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauern einer A356-T6 Aluminiumgusslegierung (heißisostatisch gepresst, heißisostatisch nachverdichtet) und unter Verwendung des hochzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauermodells von Gleichung (19) vorhergesagten hochzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauern der gleichen Legierung. Hier beträgt der Young'schen Modulwert (E) 74 GPa und die einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparameter sind wie folgt gegeben: σ'_f = 587 MPa, bo = -0,124, ε'_f = 0,011, c₀ = -0,511. Für die A356-T6 Aluminiumgusslegierung (heißisostatisch nachverdichtet) beträgt die elastische Querdehnungszahl (v_e) 0,3 und die plastische Querdehnungszahl (v_p) beträgt 0,5. Der zusätzliche Verfestigungskoeffizient unter nicht proportionaler Beanspruchung (L₀) beträgt 0,11 und der Verfestigungsexponent unter Torsionsbeanspruchung (no) beträgt 0,2. Der Vergleich von 8 offenbart, dass unter Berücksichtigung des Vorhandenseins sowohl der maximalen Scherdehnungsamplitude als auch der maximalen Normaldehnungsamplitude auf der kritischen Ebene die unter Verwendung des hochzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauermodells von Gleichung (19) vorhergesagten Ermüdungslebensdauern mit den beobachteten Ermüdungslebensdauern im Wesentlichen übereinstimmen, wobei beinahe alle von den aufgetragenen Ermüdungslebensdauerpunkten innerhalb eines 2-fachen Streuungsbandes für sowohl proportionale, als auch Kreis-, d. h. auch nicht proportionale, Beanspruchungspfade liegen.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen allgemein Verfahren zur Vorhersage von Ermüdungslebensdauern von Aluminiumlegierungen unter zyklischer mehrachsiger nicht proportionaler Beanspruchung. In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren, dass ein computerbasiertes System ausgebildet wird, um die Ermüdungslebensdauer einer Aluminiumlegierung vorherzusagen. Das computerbasierte System umfasst: einen Informationseingang, der ausgebildet ist, um zumindest eine von einer Information, die mit der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, und einer Information, die mit einem in der Aluminiumlegierung vorhandenen Spannungszustand in Beziehung steht, zu empfangen, einen Informationsausgang, der ausgebildet ist, um Information, die mit der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, weiterzuleiten, zumindest einen von einem Informationsspeicher (z. B. einen Direktzugriffsspeicher (RAM)) und einem Anweisungen speichernden Speicher (z. B. einen Nur-Lese-Speicher, (ROM)), eine Zentraleinheit, und ein computerlesbares Programmcodemittel zum Verarbeiten zumindest eines Teiles der empfangenen Information, die mit der Aluminiumlegierung und dem in der Aluminiumlegierung vorhandenen Spannungszustand in Beziehung steht.
Die empfangene Information des Informationseinganges, die mit dem Spannungszustand in der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, umfasst zumindest eines von: einer kritischen Scherebene der Aluminiumlegierung, wo eine Scherdehnungsamplitude ihren maximalen Wert aufweist; einem Schädigungsfaktor der Aluminiumlegierung, der auf eine zyklische mehrachsige Beanspruchung zurückzuführen ist, wobei der Schädigungsfaktor durch zumindest einen aus einer Vielzahl von Schädigungsfaktorparametern definiert ist, die eine maximale Scherdehnungsamplitude, eine Normaldehnungsamplitude, eine maximale Normaldehnungsamplitude, eine Scherspannungsamplitude und eine Normalspannungsamplitude umfassen. Die empfangene Information, die mit der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, umfasst Mikrostrukturcharakteristika und thermophysikalische und mechanische Eigenschaften und umfasst zumindest eines von: einem Sekundärdendritenarmabstand (SDAS); einer Korngröße; einer Fehlstellengröße; einem Volumenanteil von Fehlstellen; einer Größe des Zweitphasenpartikels; einem Aspektverhältnis der Zweitphasenpartikel; einem Volumenanteil der Zweitphasenpartikel; einem Schermodulwert; einer Querdehnungszahl; und einem Young'schen Modulwert; einem Verfestigungsfaktor der Aluminiumlegierung, der auf eine zyklische mehrachsige Beanspruchung zurückzuführen ist, wobei der Verfestigungsfaktor durch zumindest einen aus einer Vielzahl von einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparametern definiert ist, die einen Ermüdungsfestigkeitskoeffizienten, einen Ermüdungsduktilitatskoeffizienten, einen Ermüdungsfestigkeitsexponenten und einen Ermüdungsduktilitätsexponenten umfassen; und einem zusätzlichen Verfestigungsfaktor auf Grund von Dislokations-Wechselwirkungen in Mehrfachgleitsystemen, die durch eine zyklische mehrachsige nicht proportionale Beanspruchung aktiviert werden, wobei der zusätzliche Verfestigungsfaktor durch zumindest einen von: einem zusätzlichen Verfestigungskoeffizienten, einem Verfestigungs-Torsionsexponenten und einem Nicht-Proportionalitätswert definiert ist. Die einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparameter können mit den Wahrscheinlichkeiten von Fehlstellen und Mikrostrukturcharakteristika in der Aluminiumlegierung in Beziehung stehen.
Das Verfahren umfasst ferner, dass die Ermüdungslebensdauer der Aluminiumlegierung mit dem computerbasierten System in Übereinstimmung mit Prozessen des computerlesbaren Programmcodemittels vorhergesagt wird. In einer Ausführungsform umfasst das computerlesbare Programmcodemittel ein niederzyklisches mehrachsiges Ermüdungslebensdauermodell, während das computerlesbare Programmcodemittel in einer weiteren Ausführungsform ein hochzyklisches mehrachsiges Ermüdungslebensdauermodell umfasst. In einer noch weiteren Ausführungsform umfasst das computerlesbare Programmcodemittel sowohl ein niederzyklisches mehrachsiges Ermüdungslebensdauermodell als auch ein hochzyklisches mehrachsiges Ermüdungslebensdauermodell.
Ferner betreffen weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung allgemein Herstellungsartikel, die jeweils ein von einem Computer verwendbares Medium umfassen, welches ein darin eingebettetes computerlesbares Programmcodemittel umfasst, um eine Ermüdungslebensdauer einer Aluminiumlegierung unter zyklischer mehrachsiger Beanspruchung vorherzusagen. Es wird in Erwägung gezogen, dass die Ermüdungslebensdauern von einer oder beiden von einer mehrachsigen proportionalen und nicht proportionalen Beanspruchung mithilfe des computerlesbaren Programmcodemittels vorhergesagt werden können. In einer Ausführungsform umfasst das computerlesbare Programmcodemittel in dem Herstellungsartikel zumindest eines von: einem computerlesbaren Programmcodemittel zum Verarbeiten einer kritischen Scherebene der Aluminiumlegierung, wo eine Scherdehnungsamplitude ihren maximalen Wert aufweist; einem computerlesbaren Programmcodemittel zum Verarbeiten eines Schädigungsfaktors der Aluminiumlegierung, der auf eine zyklische mehrachsige Beanspruchung zurückzuführen ist, wobei der Schädigungsfaktor durch zumindest einen aus einer Vielzahl von Schädigungsfaktorparametern definiert ist, die eine maximale Scherdehnungsamplitude, eine Normaldehnungsamplitude, eine maximale Normaldehnungsamplitude, eine Scherspannungsamplitude und eine Normalspannungsamplitude umfassen; einem computerlesbaren Programmcodemittel zum Verarbeiten eines Verfestigungsfaktors der Aluminiumlegierung, der auf eine zyklische mehrachsige Beanspruchung zurückzuführen ist, wobei der Verfestigungsfaktor durch zumindest einen aus einer Vielzahl von einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparametern definiert ist, die einen Ermüdungsfestigkeitskoeffizienten, einen Ermüdungsduktilitätskoeffizienten, einen Ermüdungsfestigkeitsexponenten und einen Ermüdungsduktilitätsexponenten umfassen; und einem computerlesbaren Programmcodemittel zum Verarbeiten eines zusätzlichen Verfestigungsfaktors der Aluminiumlegierung, der auf eine zyklische mehrachsige nicht proportionale Beanspruchung zurückzuführen ist, wobei der zusätzliche Verfestigungsfaktor durch zumindest einen von einem zusätzlichen Verfestigungskoeffizienten, einem Verfestigungs-Torsionsexponenten und einem Nicht-Proportionalitätswert definiert ist; einem computerlesbaren Programmcodemittel zum Verarbeiten der empfangenen Information, die mit der Aluminiumlegierung in Beziehung steht und mikrostrukturelle, thermophysikalische und mechanische Eigenschaften umfasst, die zumindest eines von: einem Sekundärdendritenarmabstand; einer Korngröße; einer Fehlstellengröße; einem Volumenanteil von Fehlstellen; einer Größe des Zweitphasenpartikels; einem Aspektverhältnis der Zweitphasenpartikel; einem Volumenanteil der Zweitphasenpartikel; einem Schermodulwert; einer Querdehnungszahl; und einem Young'schen Modulwert umfassen. In einer Ausführungsform ist das computerlesbare Programmcodemittel in niederzyklischen Systemen betreibbar, während das computerlesbare Programmcodemittel in einer weiteren Ausführungsform in hochzyklischen Systemen betreibbar ist. In einer noch weiteren Ausführungsform ist das computerlesbare Programmcodemittel sowohl in niederzyklischen als auch hochzyklischen Systemen betreibbar.
Auf der Basis des Vorhergehenden wird in Erwägung gezogen, dass das auf Mikromechanik basierende Ermüdungslebensdauermodell zumindest eines von und/oder eine Kombination aus dem niederzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauermodell von Gleichung (17), dem niederzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauermodell von Gleichung (18) und dem hochzyklischen mehrachsigen Ermüdungslebensdauermodell von Gleichung (19) umfassen kann. Somit können die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bei niederzyklischen Systemen, hochzyklischen Systemen und/oder sowohl nieder- als auch hochzyklischen Systemen betreibbar sein, um die Ermüdungslebensdauern von Aluminiumlegierungen vorherzusagen. Überdies, während hierin die Aluminiumlegierungen A356, 6063 und A356-T6 (heißisostatisch nachverdichtet) als Beispiele bewertet sind, wird in Erwägung gezogen, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreibbar sein können, um die Ermüdungslebensdauern einer oder mehrerer von jeder Art von Aluminiumlegierungen vorherzusagen.
Es wird darauf hingewiesen, dass Erwähnungen hierin, dass eine Komponente einer Ausführungsform auf eine spezielle Weise „ausgebildet“ ist oder eine spezielle Eigenschaft oder Funktion in einer speziellen Weise erfüllt, strukturelle Erwähnungen im Gegensatz zu Erwähnungen für eine vorgesehene Verwendung sind. Im Spezielleren bezeichnen die Bezugnahmen auf die Art, in der eine Komponente „ausgebildet“ ist, hierin einen bestehenden physikalischen Zustand der Komponente und sie sind als solche als eine eindeutige Anführung der strukturellen Faktoren der Komponente zu verstehen.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausdrücke wie „allgemein“, „üblicherweise“ und „typischerweise“, wenn sie hierin verwendet werden, nicht verwendet werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Ausführungsformen einzuschränken oder zu implizieren, dass gewisse Merkmale kritisch, wesentlich oder sogar wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Ausführungsformen sind. Vielmehr sollen diese Ausdrücke spezielle Aspekte einer Ausführungsform nur kennzeichnen oder alternative oder zusätzliche Merkmale hervorheben, die in einer speziellen Ausführungsform verwendet werden können oder nicht.
Es wird darauf hingewiesen, dass, um Ausführungsformen hierin zu beschreiben und zu definieren, die Ausdrücke „im Wesentlichen“, „beträchtlich“ und „ungefähr“ hierin verwendet werden, um den natürlichen Grad von Unsicherheit darzustellen, der einem/r beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder anderen Darstellung zugeordnet werden kann. Die Ausdrücke „im Wesentlichen“, „beträchtlich“ und „ungefähr“ werden hierin auch verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung in der grundlegenden Funktion des betrachteten Gegenstandes führt.
Nach der Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail und durch Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen derselben wird einzusehen sein, dass Abwandlungen und Varianten möglich sind, ohne von dem Schutzumfang der Ausführungsformen abzuweichen, der in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist. Im Spezielleren, wenngleich einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet sind, wird in Erwägung gezogen, dass die vorliegende Erfindung nicht unbedingt auf diese bevorzugten Aspekte beschränkt ist.

Claims

System (10) zur Vorhersage einer Ermüdungslebensdauer einer Aluminiumlegierung unter zyklischer mehrachsiger Beanspruchung, wobei das System (10) umfasst: einen Informationseingang (12), der ausgebildet ist, um zumindest eine von einer Information, die mit der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, und einer Information, die mit einem in der Aluminiumlegierung vorhandenen Spannungszustand und Mikrostrukturcharakteristika und thermophysikalischen und mechanischen Eigenschaften der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, zu empfangen; einen Informationsausgang (14), der ausgebildet ist, um Information, die mit der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, weiterzuleiten; eine Verarbeitungseinheit (16); und ein computerlesbares Medium (18), das mit zumindest einem auf Mikromechanik basierenden Ermüdungslebensdauermodell (20) zusammenwirkt, wobei das Ermüdungslebensdauermodell (20) die Ermüdungslebensdauer der Aluminiumlegierung vorhersagt, indem es zumindest einen Teil der empfangenen Information verarbeitet, wobei die empfangene Information zumindest eines von: einer kritischen Scherebene der Aluminiumlegierung, wo eine Scherdehnungsamplitude ihren maximalen Wert aufweist, einem Schädigungsfaktor der Aluminiumlegierung, wobei der Schädigungsfaktor durch zumindest einen aus einer Vielzahl von Schädigungsfaktorparametern definiert ist, die eine maximale Scherdehnungsamplitude, eine Normaldehnungsamplitude, eine maximale Normaldehnungsamplitude, eine Scherspannungsamplitude und eine Normalspannungsamplitude umfassen, einem Verfestigungsfaktor der Aluminiumlegierung, wobei der Verfestigungsfaktor durch zumindest einen aus einer Vielzahl von einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparametern definiert ist, die einen Ermüdungsfestigkeitskoeffizienten, einen Ermüdungsduktilitätskoeffizienten, einen Ermüdungsfestigkeitsexponenten und einen Ermüdungsduktilitätsexponenten umfassen, wobei die einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparameter mit den Wahrscheinlichkeiten von Fehlstellen und Mikrostrukturcharakteristika in der Aluminiumlegierung in Beziehung stehen, einem zusätzlichen Verfestigungsfaktor auf Grund von Dislokations-Wechselwirkungen in Mehrfachgleitsystemen, wobei der zusätzliche Verfestigungsfaktor durch zumindest einen von einem zusätzlichen Verfestigungskoeffizienten, einem Verfestigungs-Torsionsexponenten und einem Nicht-Proportionalitätswert definiert ist, wobei zumindest einer von dem zusätzlichen Verfestigungskoeffizienten, dem Verfestigungs-Torsionsexponenten und dem Nicht-Proportionalitätswert mit den Wahrscheinlichkeiten von Mikrostruktur- und Dislokationsstrukturen in der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, und einer Mikrostrukturcharakteristik und thermophysikalischen und mechanischen Eigenschaften der Aluminiumlegierung, die durch zumindest eines von einer Fehlstellengröße, einem Volumenanteil der Fehlstellen, einem Sekundärdendritenarmabstand (SDAS, „secondary dendritite arm spacing“), einer Korngröße, einer Größe des Zweitphasenpartikels, einem Aspektverhältnis des Zweitphasenpartikels, einem Volumenanteil des Zweitphasenpartikels, einem Schermodulwert, einer Querdehnungszahl und einem Young'schen Modulwert definiert sind, umfasst.
System (10) nach Anspruch 1, wobei der Ermüdungsfestigkeitskoeffizient σ'_f der einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparameter mit einer Größe der Fehlstelle (α_i) in der Aluminiumlegierung in Beziehung steht und ausgedrückt ist als: $σ_{f}^{'} = F (a_{i}^{\frac{1}{m} \frac{1}{2}})$
wobei m der Ermüdungsriss-Wachstumsexponent nach dem Paris-Gesetz ist, und/oder wobei der Ermüdungsduktilitätskoeffizient ε'_f der einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparameter mit einem Zugdehnungs-Verfestigungsexponenten (n) in Beziehung steht und ausgedrückt ist als: $ε_{f}^{'} = F {(\frac{σ_{f}^{'}}{k'})}^{\frac{1}{n}}$
wobei insbesondere der Zugdehnungs-Verfestigungsexponent (n) mit zumindest einem von einem Volumenanteil von Fehlstellen, einem Volumenanteil von Zweitphasenpartikeln, einem Sekundärdendritenarmabstand (SDAS) und der Dehngrenze der Aluminiumlegierung in Beziehung steht und ausgedrückt ist als: $σ_{r s} + C_{1} (f_{p} - f_{d}) α ε * + C_{2} (1 + {(f_{p} - f_{d})}^{\frac{1}{2}}) {[(\frac{C_{3}}{L} + \frac{C_{4}}{λ}) (n - ε *)]}^{\frac{1}{2}} = \frac{1}{2} C_{2} (1 + {(f_{p} - f_{d})}^{\frac{1}{2}}) {(\frac{C_{3}}{L} + \frac{C_{4}}{λ})}^{\frac{1}{2}} {(n - ε *)}^{- \frac{1}{2}}$
wobei σ_YS eine Dehngrenze ist, C₁, C₂, C₃, C₄ und L Konstanten sind, ε* eine Dehnung beim Einsetzen einer plastischen Relaxation ist, f_p und f_d Volumenanteile von Zweitphasenpartikeln bzw. Fehlstellen sind und λ ein Sekundärdendritenarmabstand (SDAS) ist.
System (10) nach Anspruch 1, wobei der Ermüdungsfestigkeitsexponent bo der einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparameter mit einem Ermüdungsriss-Wachstumsexponenten (m) nach dem Paris-Gesetz in Beziehung steht und ausgedrückt ist als: $b_{0} = F (- \frac{1}{m})$
und/oder wobei der Ermüdungsduktilitätsexponent c₀ der einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparameter mit einem Zugdehnungs-Verfestigungsexponenten (n) in Beziehung steht und ausgedrückt ist als: $c_{0} = \frac{b_{0}}{F (n)}$
und/oder wobei: die Mikrostrukturcharakteristika der Aluminiumlegierung mithilfe eines oder mehrerer Parameter bereitgestellt werden, der/die mit einer mathematischen Mehrskalenmodellierung von Gieß-, Erstarrungs- und Wärmebehandlungsprozessen in Beziehung steht/ stehen, wobei die Mittelwerte der Mikrostrukturcharakteristika auf der Grundlage einer nominalen Basislinie der Gieß-, Erstarrungs- und Wärmebehandlungsprozessparameter der Aluminiumlegierung berechnet werden, und die Wahrscheinlichkeiten der Mikrostrukturcharakteristika von statistischen Schwankungen der Gieß-, Erstarrungs- und Wärmebehandlungsprozessparameter der Aluminiumlegierung abhängig sind, und/oder wobei die Größenverteilungen der Gussfehlstelle oder der Mikrostrukturcharakteristika mittels einer Extremwertstatistik (EVS von extreme value statistics) ermittelt werden, wobei eine kumulative Verteilungsfunktion ausgedrückt ist als: $F (x) = exp (- exp (- \frac{x - ς}{δ}))$
wobei x ein charakteristischer Parameter von Gussfehlstellen oder Mikrostrukturcharakteristika ist und ζ und δ statistische Verteilungs-Extremwertparameter sind.
System (10) nach Anspruch 1, wobei das Ermüdungslebensdauermodell (20) ein niederzyklisches mehrachsiges Ermüdungslebensdauermodell (20) umfasst.
System (10) nach Anspruch 4, wobei das niederzyklische mehrachsige Ermüdungslebensdauermodell (20) ausgedrückt ist als: $\frac{Δ γ_{max}}{2} \cdot \frac{Δ τ}{2} + \frac{Δ ε_{n}}{2} \cdot \frac{Δ σ_{n}}{2} = (\frac{3 + v_{e}}{4}) \frac{σ_{f}^{' 2}}{E} {(2 N_{f})}^{2 b_{0}} + (\frac{3 + v_{p}}{4}) σ_{f}^{'} ε_{f}^{'} {(2 N_{f})}^{b_{0} + c_{0}}$
wobei (N_f) die Ermüdungslebensdauer der Aluminiumlegierung ist; Δγmax die maximale Scherdehnungsamplitude auf der kritischen Scherebene ist; Δτ die Scherspannungsamplitude auf der kritischen Scherebene ist, Δε_n, die Normaldehnungsamplitude auf der kritischen Scherebene ist; Δσ_n die Normalspannungsamplitude auf der kritischen Scherebene ist; v_c und v_p die elastische bzw. die plastische Querdehnungszahl ist; E der Wert des Young'schen Modul ist; σ'_f der Ermüdungsfestigkeitskoeffizient ist; ε'_f der Ermüdungsduktilitätskoeffizient ist; und bo und c₀ der Ermüdungsfestigkeits- bzw. der Ermüdungsduktilitätsexponent sind.
System (10) nach Anspruch 4, wobei das niederzyklische mehrachsige Ermüdungslebensdauermodell (20) ausgedrückt ist als: $\frac{Δ γ_{max}}{2} + \frac{Δ ε_{n}}{2} = (\frac{3 + v_{e}}{2}) \frac{σ_{f}^{'}}{E} {(2 N_{f})}^{b_{0}} + (\frac{3 + v_{p}}{2}) {(1 + L_{0} Φ)}^{\frac{- 1}{n_{0}}} ε_{f}^{'} {(2 N_{f})}^{c_{0}}$
wobei (N_f) die Ermüdungslebensdauer des Materials ist; Δγmax die maximale Scherdehnungsamplitude auf der kritischen Scherebene ist; Δε_n die Normaldehnungsamplitude auf der kritischen Scherebene ist; v_e und v_p die elastische bzw. die plastische Querdehnungszahl sind; E der Young'sche Modulwert ist; σ'_f der Ermüdungsfestigkeitskoeffizient ist; ε'_f der Ermüdungsduktilitätskoeffizient ist; b₀ und c₀ der Ermüdungsfestigkeits- bzw. der Ermüdungsduktilitätsexponent sind; L₀ der zusätzliche Verfestigungsexponent unter nicht proportionalen Beanspruchungen ist; no der Verfestigungskoeffizient unter Torsionsbeanspruchung ist; und Φ der Nicht-Proportionalitätswert ist, wobei insbesondere das niederzyklische mehrachsige Ermüdungslebensdauermodell (20) die Ermüdungslebensdauer der Aluminiumlegierung unter mehrachsiger proportionaler Beanspruchung vorhersagt und der Nicht-Proportionalitätswert Φ gleich null ist, und/oder das niederzyklische mehrachsige Ermüdungslebensdauermodell (20) die Ermüdungslebensdauer der Aluminiumlegierung unter mehrachsiger nicht proportionaler Beanspruchung vorhersagt und der Nicht-Proportionalitätswert Φ ausgedrückt ist als: $Φ = K_{c} \frac{{\bar{S_{n p}}}^{- 1 / 2} - {\bar{S_{p}}}^{- 1 / 2}}{{\bar{S_{c}}}^{- 1 / 2} - {\bar{S_{p}}}^{- 1 / 2}} = K_{c} \frac{{(\bar{S_{n p}} / \bar{S_{p}})}^{- 1 / 2} - 1}{{(\bar{S_{c}} / \bar{S_{p}})}^{- 1 / 2} - 1}$
wobei K_c eine Konstante ist und S_p , S_c , S_np statistische mittlere freie Gleitwege von Dislokationen in der Aluminiumlegierung unter proportionalen, Kreis- bzw. anderen nicht proportionalen Beanspruchungspfaden sind, und/oder der zusätzliche Verfestigungskoeffizient Lo zwischen etwa 0,1 und etwa 0,15 variiert und der Verfestigungsexponent unter Torsion (no) zwischen etwa 0,2 und etwa 0,25 variiert.
System (10) nach Anspruch 1, wobei das Ermüdungslebensdauermodell (20) ein hochzyklisches mehrachsiges Ermüdungslebensdauermodell (20) umfasst, wobei insbesondere das hochzyklische mehrachsige Ermüdungslebensdauermodell (20) ausgedrückt ist als: $\frac{Δ γ_{max}}{2} + \frac{Δ ε_{max}}{2} = (2 + v_{e}) \frac{σ_{f}^{'}}{E} {(2 N_{f})}^{b_{0}} + {(1 + L_{0} Φ)}^{\frac{- 1}{n_{0}}} (2 + v_{p}) ε_{f}^{'} {(2 N_{f})}^{c_{0}}$
wobei (N_f) die Ermüdungslebensdauer der Aluminiumlegierung ist; Δγmax die maximale Scherdehnungsamplitude auf der kritischen Scherebene ist; Δε_max. die maximale Normaldehnungsamplitude auf der kritischen Scherebene ist; v_e und v_p die elastische bzw. die plastische Querdehnungszahl sind; E der Young'sche Modulwert ist; σ'_f der Ermüdungsfestigkeitskoeffizient ist; ε'_f der Ermüdungsduktilitätskoeffizient ist; b₀ und c₀ der Ermüdungsfestigkeits- bzw. der Ermüdungsduktilitätsexponent sind; L₀ der zusätzliche Verfestigungskoeffizient unter nicht proportionalen Beanspruchungen ist; n₀ der Verfestigungsexponent unter Torsionsbeanspruchung ist; und Φ der Nicht-Proportionalitätswert ist, wobei insbesondere das hochzyklische mehrachsige Ermüdungslebensdauermodell (20) die Ermüdungslebensdauer der Aluminiumlegierung unter mehrachsiger proportionaler Beanspruchung vorhersagt und der Nicht-Proportionalitätswert Φ gleich null ist, und/oder das hochzyklische mehrachsige Ermüdungslebensdauermodell (20) die Ermüdungslebensdauer der Aluminiumlegierung unter mehrachsiger nicht proportionaler Beanspruchung vorhersagt und der Nicht-Proportionalitätswert Φ ausgedrückt ist als: $Φ = K_{c} \frac{{\bar{S_{n p}}}^{- 1 / 2} - {\bar{S_{p}}}^{- 1 / 2}}{{\bar{S_{c}}}^{- 1 / 2} - {\bar{S_{p}}}^{- 1 / 2}} = K_{c} \frac{{(\bar{S_{n p}} / \bar{S_{p}})}^{- 1 / 2} - 1}{{(\bar{S_{c}} / \bar{S_{p}})}^{- 1 / 2} - 1}$
wobei K_c eine Konstante ist und Sp, S_c , S_np statistische mittlere freie Gleitwege von Dislokationen in der Aluminiumlegierung unter proportionalen, Kreis- bzw. anderen nicht proportionalen Beanspruchungspfaden sind.
Verfahren zur Vorhersage einer Ermüdungslebensdauer einer Aluminiumlegierung unter zyklischer mehrachsiger Beanspruchung, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein computerbasiertes System (10) ausgebildet wird, um die Ermüdungslebensdauer vorherzusagen, wobei das computerbasierte System (10) umfasst: einen Informationseingang (12), der ausgebildet ist, um zumindest eine von einer Information, die mit der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, und einer Information, die mit einem in der Aluminiumlegierung vorhandenen Spannungszustand und Mikrostrukturcharakteristika und thermophysikalischen und mechanischen Eigenschaften der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, zu empfangen, einen Informationsausgang (14), der ausgebildet ist, um Information, die mit der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, weiterzuleiten; zumindest einen von einem Informationsspeicher und einem Anweisungen speichernden Speicher; eine Zentralverarbeitungseinheit (16), und ein computerlesbares Programmcodemittel zum Verarbeiten zumindest eines Teiles der empfangenen Information, die mit der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, wobei die empfangene Information, die mit der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, zumindest eines von: einer kritischen Scherebene der Aluminiumlegierung, wo eine Scherdehnungsamplitude ihren maximalen Wert aufweist, einem Schädigungsfaktor der Aluminiumlegierung, der auf eine zyklische mehrachsige Beanspruchung zurückzuführen ist, wobei der Schädigungsfaktor durch zumindest einen aus einer Vielzahl von Schädigungsfaktorparametern definiert ist, die eine maximale Scherdehnungsamplitude, eine Normaldehnungsamplitude, eine maximale Normaldehnungsamplitude, eine Scherspannungsamplitude und eine Normalspannungsamplitude umfassen, einem Verfestigungsfaktor der Aluminiumlegierung, der auf eine zyklische mehrachsige Beanspruchung zurückzuführen ist, wobei der Verfestigungsfaktor durch zumindest einen aus einer Vielzahl von einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparametern definiert ist, die einen Ermüdungsfestigkeitskoeffizienten, einen Ermüdungsduktilitätskoeffizienten, einen Ermüdungsfestigkeitsexponenten und einen Ermüdungsduktilitätsexponenten umfassen, einem zusätzlichen Verfestigungsfaktor auf Grund von Dislokations-Wechselwirkungen in Mehrfachgleitsystemen, die durch eine zyklische mehrachsige nicht proportionale Beanspruchung aktiviert werden, wobei die zusätzliche Verfestigung durch einen zusätzlichen Verfestigungskoeffizienten, einen Verfestigungs-Torsionsexponenten und einen Nicht-Proportionalitätswert definiert ist, wobei die zusätzlichen Verfestigungsfaktorparameter mit den Wahrscheinlichkeiten von Mikrostruktur- und Dislokationsstrukturen in der Aluminiumlegierung in Beziehung stehen, und einem charakteristischen Mikrostrukturmerkmal und thermophysikalischen und mechanischen Eigenschaften der Aluminiumlegierung, die durch zumindest eines von einer Größe einer Fehlstelle, einem Volumenanteil der Fehlstellen, einem Sekundärdendritenarmabstand (SDAS), einer Korngröße, einer Größe des Zweitphasenpartikels, einem Aspektverhältnis des Zweitphasenpartikels, einem Volumenanteil des Zweitphasenpartikels, einem Schermodulwert, einer Querdehnungszahl und einem Young'schen Modulwert definiert sind, umfasst; und die Ermüdungslebensdauer der Aluminiumlegierung mit dem computerbasierten System (10) in Übereinstimmung mit Prozessen des computerlesbaren Programmcodemittels vorhergesagt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparameter des Verfestigungsfaktors mit den Wahrscheinlichkeiten von Fehlstellen und Mikrostrukturcharakteristika in der Aluminiumlegierung in Beziehung stehen, wobei insbesondere: der Ermüdungsfestigkeitskoeffizient σ'_f der einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparameter mit einer Größe der Fehlstelle (α_i) in der Aluminiumlegierung in Beziehung steht und ausgedrückt ist als: $σ_{f}^{'} = F (a_{i}^{\frac{1}{m} \frac{1}{2}})$
wobei m der Ermüdungsriss-Wachstumsexponent nach dem Paris-Gesetz ist; wobei der Ermüdungsduktilitätskoeffizient ε'_f der einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparameter mit einem Zugdehnungs-Verfestigungsexponenten (n) in Beziehung steht und ausgedrückt ist als: $ε_{f}^{'} = F {(\frac{σ_{f}^{'}}{k'})}^{\frac{1}{n}}$
wobei der Zugdehnungs-Verfestigungsexponent n mit einem Volumenanteil von Fehlstellen, einem Volumenanteil von Zweitphasenpartikeln, dem Sekundärdendritenarmabstand (SDAS) und der Dehngrenze der Aluminiumlegierung in Beziehung steht: $σ_{r s} + C_{1} (f_{p} - f_{d}) α ε * + C_{2} (1 + {(f_{p} - f_{d})}^{\frac{1}{2}}) {[(\frac{C_{3}}{L} + \frac{C_{4}}{λ}) (n - ε *)]}^{\frac{1}{2}} = \frac{1}{2} C_{2} (1 + {(f_{p} - f_{d})}^{\frac{1}{2}}) {(\frac{C_{3}}{L} + \frac{C_{4}}{λ})}^{\frac{1}{2}} {(n - ε *)}^{- \frac{1}{2}}$
wobei σ_YS die Dehngrenze ist, C₁, C₂, C₃, C₄ und L Konstanten sind, ε* die Dehnung beim Einsetzen einer plastischen Relaxation ist, f_p und f_d Volumenanteile von Zweitphasenpartikeln bzw. Fehlstellen sind und λ ein Sekundärdendritenarmabstand (SDAS) ist, wobei der Ermüdungsfestigkeitsexponent bo der einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparameter mit dem Ermüdungsriss-Wachstumsexponenten (m) nach dem Paris-Gesetz in Beziehung steht und ausgedrückt ist als: $b_{0} = F (- \frac{1}{m})$
und wobei der Ermüdungsduktilitätsexponent c₀ der einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparameter mit dem Zugdehnungs-Verfestigungsexponenten (n) in Beziehung steht und ausgedrückt ist als: $c_{0} = \frac{b_{0}}{F (n)} .$
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Ermüdungslebensdauermodell (20) ein niederzyklisches mehrachsiges Ermüdungslebensdauermodell (20) umfasst, das ausgedrückt ist als: $\frac{Δ γ_{max}}{2} + \frac{Δ ε_{n}}{2} = (\frac{3 + v_{e}}{2}) \frac{σ_{f}^{'}}{E} {(2 N_{f})}^{b_{0}} + (\frac{3 + v_{p}}{2}) {(1 + L_{0} Φ)}^{\frac{- 1}{n_{0}}} ε_{f}^{'} {(2 N_{f})}^{c_{0}}$
wobei (N_f) die Ermüdungslebensdauer der Aluminiumlegierung ist; Δε_max die maximale Scherdehnungsamplitude auf der kritischen Scherebene ist; Δε_n die Normaldehnungsamplitude auf der kritischen Scherebene ist; v_e und v_p die elastische bzw. die plastische Querdehnungszahl sind; E der Young'sche Modulwert ist; L₀ der zusätzliche Verfestigungsexponent unter nicht proportionalen Beanspruchungen ist; no der Verfestigungskoeffizient unter Torsionsbeanspruchung ist; und Φ der Nicht-Proportionalitätswert ist, und/oder wobei das Ermüdungslebensdauermodell (20) ein hochzyklisches mehrachsiges Ermüdungslebensdauermodell (20) umfasst, das ausgedrückt ist als: $\frac{Δ γ_{max}}{2} + \frac{Δ ε_{max}}{2} = (2 + v_{e}) \frac{σ_{f}^{'}}{E} {(2 N_{f})}^{b_{0}} + {(1 + L_{0} Φ)}^{\frac{- 1}{n_{0}}} (2 + v_{p}) ε_{f}^{'} {(2 N_{f})}^{c_{0}}$
wobei (N_f) die Ermüdungslebensdauer der Aluminiumlegierung ist; Δγmax die maximale Scherdehnungsamplitude auf der kritischen Scherebene ist; Δε_max die maximale Normaldehnungsamplitude auf der kritischen Scherebene ist; v_c und v_p die elastische bzw. die plastische Querdehnungszahl sind; E der Young'sche Modulwert ist; Lo der zusätzliche Verfestigungskoeffizient unter nicht proportionalen Beanspruchungen ist; no der Verfestigungsexponent unter Torsionsbeanspruchung ist; und Φ der Nicht-Proportionalitätswert ist.
Herstellungsartikel zur Vorhersage einer Ermüdungslebensdauer einer Aluminiumlegierung unter zyklischer mehrachsiger Beanspruchung, wobei der Herstellungsartikel umfasst: ein computerbasiertes System (10), um die Ermüdungslebensdauer vorherzusagen, wobei das computerbasierte System (10) umfasst: einen Informationseingang (12), der ausgebildet ist, um zumindest eine von einer Information, die mit der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, und einer Information, die mit einem in der Aluminiumlegierung vorhandenen Spannungszustand und Mikrostrukturcharakteristika und thermophysikalischen und mechanischen Eigenschaften der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, zu empfangen, einen Informationsausgang (14), der ausgebildet ist, um Information, die mit der Aluminiumlegierung in Beziehung steht, weiterzuleiten; zumindest einen von einem Informationsspeicher und einem Anweisungen speichernden Speicher; eine Zentralverarbeitungseinheit (18) und ein computerlesbares Programmcodemittel zum Verarbeiten zumindest eines Teiles der empfangenen Information, wobei die empfangene Information zumindest eines von: einer kritischen Scherebene der Aluminiumlegierung, wo eine Scherdehnungsamplitude ihren maximalen Wert aufweist, einem Schädigungsfaktor der Aluminiumlegierung, der auf eine zyklische multiaxiale Beanspruchung zurückzuführen ist, wobei der Schädigungsfaktor durch zumindest einen aus einer Vielzahl von Schädigungsfaktorparametern definiert ist, die eine maximale Scherdehnungsamplitude, eine Normaldehnungsamplitude, eine maximale Normaldehnungsamplitude, eine Scherspannungsamplitude und eine Normalspannungsamplitude umfassen, einem Verfestigungsfaktor der Aluminiumlegierung, der auf eine zyklische mehrachsige Beanspruchung zurückzuführen ist, wobei der Verfestigungsfaktor durch zumindest einen aus einer Vielzahl von einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparametern definiert ist, die einen Ermüdungsfestigkeitskoeffizienten, einen Ermüdungsduktilitätskoeffizienten, einen Ermüdungsfestigkeitsexponenten und einen Ermüdungsduktilitätsexponenten umfassen, einem zusätzlichen Verfestigungsfaktor auf Grund von Dislokations-Wechselwirkungen in Mehrfachgleitsystemen, die durch eine zyklische nicht proportionale mehrachsige Beanspruchung aktiviert werden, wobei die zusätzliche Verfestigung durch einen zusätzlichen Verfestigungskoeffizienten, einen Verfestigungs-Torsionsexponenten und einen Nicht-Proportionalitätswert definiert ist, wobei die zusätzlichen Verfestigungsfaktorparameter mit den Wahrscheinlichkeiten von Mikrostruktur und Dislokationsstrukturen in der Aluminiumlegierung in Beziehung stehen, und einem charakteristischen Mikrostrukturmerkmal und thermophysikalischer und mechanischer Eigenschaft der Alumini- umlegierung, die durch eine Größe einer Fehlstelle, einen Volumenanteil der Fehlstellen, den Sekundärdendritenarmabstand (SDAS), eine Korngröße, eine Größe des Zweitphasenpartikels, ein Aspektverhältnis des Zweitphasenpartikels, einen Volumenanteil des Zweitphasenpartikels, einen Schermodulwert, eine Querdehnungszahl und einen Young'schen Modulwert definiert ist, umfasst; wobei das computerbasierte System (10) die Ermüdungslebensdauer der Aluminiumlegierung in Übereinstimmung mit Prozessen des computerlesbaren Programmcodemittels vorhersagt.
Herstellungsartikel nach Anspruch 11, wobei die einachsigen zyklischen Verfestigungsfaktorparameter des Verfestigungsfaktors mit den Wahrscheinlichkeiten von Fehlstellen und Mikrostrukturcharakteristika in der Aluminiumlegierung in Beziehung stehen, und/oder wobei das computerlesbare Programmcodemittel ein niederzyklisches mehrachsiges Ermüdungslebensdauermodell (20) umfasst, das ausgedrückt ist als: $\frac{Δ γ_{max}}{2} + \frac{Δ ε_{n}}{2} = (\frac{3 + v_{e}}{2}) \frac{σ_{f}^{'}}{E} {(2 N_{f})}^{b_{0}} + (\frac{3 + v_{p}}{2}) {(1 + L_{0} Φ)}^{\frac{- 1}{n_{0}}} ε_{f}^{'} {(2 N_{f})}^{c_{0}}$
wobei (N_f) die Ermüdungslebensdauer des Materials ist; Δγ_max die maximale Scherdehnungsamplitude auf der kritischen Scherebene ist; Δε_n, die Normaldehnungsamplitude auf der kritischen Scherebene ist; v_e und v_p die elastische bzw. die plastische Querdehnungszahl sind; E der Young'sche Modulwert ist; σ'_f der Ermüdungsfestigkeitskoeffizient ist; ε'_f der Ermüdungsduktilitätskoeffizient ist; b₀ und c₀ der Ermüdungsfestigkeits- bzw. der Ermüdungsduktilitätsexponent sind; Lo der zusätzliche Verfestigungskoeffizient unter nicht proportionalen Beanspruchungen ist; no der Verfestigungsexponent unter Torsionsbeanspruchung ist; und Φ der Nicht-Proportionalitätswert ist, und/oder wobei das computerlesbare Programmcodemittel ein hochzyklisches mehrachsiges Ermüdungslebensdauermodell (20) umfasst, das ausgedrückt ist als: $\frac{Δ γ_{max}}{2} + \frac{Δ ε_{max}}{2} = (2 + v_{e}) \frac{σ_{f}^{'}}{E} {(2 N_{f})}^{b_{0}} + {(1 + L_{0} Φ)}^{\frac{- 1}{n_{0}}} (2 + v_{p}) ε_{f}^{'} {(2 N_{f})}^{c_{0}}$
wobei (N_f) die Ermüdungslebensdauer des Materials ist; Δγ_max die maximale Scherdehnungsamplitude auf der kritischen Scherebene ist; Δε_max die maximale Normaldehnungsamplitude auf der kritischen Scherebene sind; v_e und v_p die elastische bzw. die plastische Querdehnungszahl sind; E der Young'sche Modulwert ist; σ'_f der Ermüdungsfestigkeitskoeffizient ist; ε'_f der Ermüdungsduktilitätskoeffizient ist; b₀ und c₀ der Ermüdungsfestigkeits- bzw. der Ermüdungsduktilitätsexponent sind; Lo der zusätzliche Verfestigungskoeffizient unter nicht proportionalen Beanspruchungen ist; no der Verfestigungsexponent unter Torsionsbeanspruchung ist; und Φ der Nicht-Proportionalitätswert ist.