Landua, Steffen (2005)
Einfluss von Gefüge und Schnittgeschwindigkeit auf die Mechanismen der Spanbildung und die Ermüdungseigenschaften von Leichtmetalllegierungen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit bestand darin, die bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung im Werkstück vor der Schneide ablaufenden Vorgänge und deren Auswirkungen auf die bearbeiteten Werkstücke zu charakterisieren. Die Arbeit gliedert sich in zwei Teile, wobei im ersten Teil der Einfluss des Werkstoffs (Makrotextur, mikroskopische Textur, Wärmeleitfähigkeit) auf die zu Segmentspänen führenden Scherlokalisierungen geklärt wird. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit den Einflüssen der spanenden Bearbeitung auf das Werkstück und den Auswirkungen auf das Ermüdungsverhalten bearbeiteter Oberflächen. Entsprechende Untersuchungen wurden an der Aluminiumlegierung Al7075 und den Titanlegierungen Ti 15-3 und Ti 6-4 durchgeführt. Der Einfluss des Auslagerungszustandes ausscheidungshärtbarer Legierungen auf die Spanbildung wird auf die während der plastischen Verformung in der primären Scherzone einsetzenden Wechselwirkungsmechanismen zwischen Versetzungen und den im Werkstoff enthaltenen Ausscheidungen zurückgeführt. Die Versuche an der Titanlegierung Ti 15-3 zeigen allerdings, dass die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs erwartungsgemäß eine große Rolle bei der Scherlokalisierung spielt. Sie beeinflusst die Temperaturverhältnisse im scherlokalisierten Bereich und bestimmt damit das Auftreten oder Ausbleiben von makroskopischen Scherbändern in Abhängigkeit von der Dehnrate. Die Auslösung der Scherlokalisierungen erfolgt unabhängig von den äußeren Verformungsbedingungen und der Dehnrate immer kristallografisch definiert. Die Ausbreitung des Scherbandes erfolgt bei weiterer Verformung dann kristallografisch nicht definiert. Durch Versuche mit texturierten Gefügen der Titanlegierung Ti 6 4 konnte auch für Scherbänder eine kristallografisch definierte Ausbreitung erreicht werden. Für diesen Effekt ist die Schärfe der Textur im scherlokalisierten Bereich entscheidend. Bei einem sich abschnittsweise als Einkristall verhaltenden mikrotexturierten groblamellaren Gefüge wirkt sich die Textur daher im Gegensatz zu einem makrotexturierten Duplex-Gefüge auf den Segmentierungsgrad der Späne aus. Der Schnittgeschwindigkeitseinfluss auf die Ermüdungseigenschaften der bearbeiteten Oberflächen hängt stark vom untersuchten Werkstoff und dem jeweiligen Gefüge ab. Bei der gut zerspanbaren Aluminiumlegierung wurde eine Verbesserung der Ermüdungseigenschaften bei höherer Schnittgeschwindigkeit beobachtet. Dieser Effekt kann auf eine verminderte Oberflächenrauigkeit mit steigender Schnittgeschwindigkeit zurückgeführt werden. Der Grad der Eigenschaftsverbesserung durch die gesteigerte Schnittgeschwindigkeit hängt von der Kerbempfindlichkeit des Werkstoffs ab. Die Ermüdungsergebnisse der Titanlegierung Ti 15 3 zeigen eine drastische Verringerung der Dauerfestigkeiten nach HSC-Bearbeitung bei 4000 m/min. Die Dauerfestigkeitserniedrigungen sind eindeutig auf starke Oberflächenschädigungen der Werkstücke zurückzuführen. Durch die hohe Sauerstoffaffinität des Titans in Kombination mit der eingebrachten Wärme und dem Druck der Nebenschneide entsteht an der neu erzeugten Oberfläche sehr hartes und sprödes Titanoxid. Dies führt zu Ausbrüchen in der Oberflächenschicht, bzw. zu Rissen, die bis zu mehrere hundert Mikrometer ins Volumen hineinreichen und durch die damit verbundene Kerbwirkung zu einem Rückgang der Dauerfestigkeiten führt. Für die Bearbeitung mit einer Schnittgeschwindigkeit von 400 m/min, die im unteren HSC-Bereich liegt, wurden keinerlei Unterschiede zu konventioneller Bearbeitung gefunden.

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