Einfluss der Lagenarchitektur und der Komponentenauswahl auf das quasistatische und zyklische bruchmechanische Verhalten metallischer Laminatwerkstoffe

Abstract

Lamellare Verbundwerkstoffe bestehen aus alternierenden Lagen unterschiedlicher Werkstoffe, die über Grenzflächen miteinander verbunden sind. Gemeinsamer Grundgedanke hinter der Verwendung von lamellaren Verbundwerkstoffen ist es, durch gezieltes Einstellen der La-genarchitektur und Ausnutzen der eingebrachten Grenzflächen, die bruchmechanischen Ei-genschaften erheblich zu verbessern. Zur Steigerung der Zähigkeit bei LMCs und der damit verbundenen Verbesserung des schadenstoleranten Verhaltens tragen sowohl extrinsische als auch intrinsische Mechanismen bei. Während bei intrinsischen Mechanismen mikrostrukturelle Einflüsse zur Zähigkeitssteigerung berücksichtigt werden, versteht man unter extrinsi-schen zähigkeitssteigernden Mechanismen solche, die zu einer Absenkung der lokalen Spannungsintensität an der Rissspitze führen und somit die Triebkraft zur Rissausbreitung absenken. Aus dem weiten Bereich der unterschiedlichen Arten von lamellaren Verbundwerkstoffen fokussierte dieses Vorhaben auf die Metall-Metall-Laminate (LMC, engl.: laminated metal composites). Da bis dato keine oder nur sporadische Untersuchungen zum Einfluss der Lagenarchitektur und der Komponentenauswahl auf das zyklische bruchmechanische Verhalten dieser LMCs vorlagen, widmete sich dieses Vorhaben diesen Fragestellungen. Dabei wurden durch die gezielte Auswahl unterschiedlicher Konstituenten (unterschiedliche Aluminiumlegie-rungen und Kupfer) gezielte Sprünge bezüglich der Festigkeit und Steifigkeit an den Laminatgrenzflächen erzeugt und auch der Grenzflächendichteeinfluss wurde untersucht. Die LMCs wurden mittels des kumulierten Walzprozesses (ARB) hergestellt und das bruchmechanische Verhalten von LMCs unter zyklischer Beanspruchung sowie die zugehörigen Rissausbrei-tungsmechanismen in LMCs systematisch untersucht. Auf der Basis der gewonnen Ergebnisse konnte ein vertieftes Verständnis der werkstoffseitigen Einflussfaktoren an den Grenzflächen von LMCs, den sog. „material inhomogeneity effects, bezüglich des zyklischen Rissaub-reitungsverhaltens gewonnen werden. Erstmals wurden dabei sogenannte Loading-Unloading-Reloding (LUR)-Tests genutzt, um die Hindernisstärken der unterschiedlichen Laminatarchitekturen durch die Bestimmung der inelastischen Rückdehnung zu quantifizieren und somit das mechanistische Bild der Wechselwirkung zwischen Prozesszone an der Rissspitze und der inneren Grenzfläche zu verbreitern. Ferner konnten Designkriterien für LMCs mit einer gesteigerten Schadenstoleranz abgeleitet werden. Laminated composites consist of alternating layers of different materials bonded together via interfaces. The fundamental principle behind the use of laminated composites is to significantly improve fracture mechanical properties by carefully adjusting the layer architecture and exploiting the interfaces introduced. Both extrinsic and intrinsic mechanisms contribute to increasing the toughness of LMCs and the associated improvement in damage-tolerant behaviour. Whilst intrinsic mechanisms take microstructural influences into account to increase toughness, extrinsic toughness-enhancing mechanisms are those that lead to a reduction in local stress intensity at the crack tip and thus reduce the driving force for crack propagation. From the wide range of different types of lamellar composite materials, this project focused on laminated metal composites (LMCs). As there had been only few studies to date on the influence of layer architecture and component selection on the cyclic fracture behaviour of these LMCs, this project addressed this issue. Through the deliberate selection of different constituents (various aluminium alloys and copper), specific variations in strength and stiffness were created at the laminate interfaces, and the influence of interfacial density was also investigated. The LMCs were produced using accumulative roll bonding (ARB), and the fracture behaviour of LMCs under cyclic loading, as well as the associated crack propagation mechanisms in LMCs, were then systematically investigated. Based on the results obtained, a deeper understanding of the material-related influencing factors at the interfaces of LMCs, the so-called ‘material inhomogeneity effects’, was gained with regard to cyclic crack propagation behaviour. For the first time, so-called loading-unloading-reloading (LUR) tests were used to quantify the barrier strengths of the different laminate architectures by determining the inelastic back-strain, thereby broadening the mechanistic picture of the interaction between the process zone at the crack tip and the internal interface. Furthermore, design criteria for LMCs with increased damage tolerance were derived.