Untersuchung des Steifigkeits- und Festigkeitsverhaltens der Magnesiumknetlegierungen ME21 und AZ31 in Form von Feinblechen

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1 Untersuchung des Steifigkeits- und Festigkeitsverhaltens der Magnesiumknetlegierungen ME21 und AZ31 in Form von Feinblechen Dallmeier, J.; Huber, O.; Saage, H. Kompetenzzentrum Leichtbau (LLK), Hochschule Landshut Kurzfassung Für die Herstellung von Magnesiumfeinblechen werden derzeit verschiedene Verfahren entwickelt. Dazu zählen u.a. das Walzverfahren, das Gießwalzverfahren sowie das Strangpressverfahren, bei denen unterschiedliche Herstellungskosten anfallen aber auch unterschiedliche Materialeigenschaften resultieren. Die untersuchte Legierung ME21 [1] wird von der Stolfig AG über das Strangpressverfahren zu Magnesiumfeinblech verarbeitet. Das untersuchte AZ31-Feinblech wurde von der Salzgitter Magnesium-Technologie GmbH geliefert. Es wurde über das Gießwalzverfahren hergestellt [2]. Das Ziel bei der Einführung von ME21 als alternativer Magnesiumwerkstoff ist ein auf ca. 5 pro kg reduzierter Preis [3]. Gießgewalztes AZ31-Feinblech ist derzeit deutlich teurer. In dieser Arbeit werden ME21 und AZ31 jeweils im stranggepressten und gießgewalzten Zustand verglichen. Danach liegen die mechanischen Eigenschaften von ME21- bzw. AZ31-Feinblech in einem vergleichbaren Rahmen. 1 Einleitung Das steigende Umweltbewusstsein und der Wunsch nach Ressourcen- und Energieeinsparung rückt innovative Werkstoffe ins Interesse technologieorientierter Unternehmen und der breiten Öffentlichkeit [4]. Dabei treten Magnesiumlegierungen als metallische Konstruktionswerkstoffe mit hoher spezifischer Festigkeit immer mehr in den Vordergrund. Zur Zeit wird Magnesium hauptsächlich in Gießverfahren verarbeitet [5]. Strukturen aus Magnesiumknetlegierungen finden derzeit aus Kostengründen noch selten Anwendung in größeren Serien. Aktuelle Entwicklungen zielen daher auf die kostengünstige Herstellung von Halbzeugen aus Magnesiumknetlegierungen. Ein Schwerpunkt ist die Herstellung von Magnesiumfeinblechen, die für Leichtbauanwendungen sehr gut geeignet sind. Neben den Material- und Herstellungskosten sind die mechanischen Eigenschaften des Magnesiumfeinblechs von großer Bedeutung. Oft sind nicht nur die Festigkeitseigenschaften, sondern ist das gesamte Verformungsverhalten von Interesse [6]. Dieses unterscheidet sich teilweise stark von dem Verformungsverhalten der Magnesiumgusslegierungen. So treten eine Asymmetrie der Festigkeit in Zug- und Druckrichtung und Richtungsabhängigkeiten längs und quer zur Walz- bzw. Strangpressrichtung auf. Vorversuche haben gezeigt, dass Bleche, die über das Strangpressverfahren hergestellt wurden, ein Verfestigungsverhalten aufweisen, das besonderer Beachtung bedarf. Der Spannungs-Dehnungs-Verlauf (im Folgenden SDV) ist im Halbzeugneuzu- 97

2 stand auch bei kleinen Spannungen nichtlinear. Die Steifigkeit liegt auch zu Beginn weit unter dem erwarteten Wert von 45 GPa [5]. Bei der Auslegung von Strukturen mit Magnesiumfeinblech müssen diese Effekte berücksichtigt werden, beispielsweise bei der Wahl des Stoffgesetzes und der korrekten Werkstoffkonstanten für die numerische Simulation. Die geringeren Druckfestigkeitswerte im Vergleich zu den Zugfestigkeitswerten stellen eine weitere Herausforderung an das werkstoffgerechte Konstruieren dar. 2 Ermittlung mechanischer Eigenschaften Die für die Untersuchung verwendeten stranggepressten Feinbleche aus ME21 (Nennblechdicke 2 mm), die gewalzten Feinbleche aus ME21 (Nennblechdicke 1,3 mm) und das stranggepresste Feinblech aus AZ31 (Nennblechdicke 2 mm) wurden von der Stolfig AG bereitgestellt. Das gießgewalzte AZ31 Feinblech (Nennblechdicke 1,5 mm) wurde von Salzgitter Magnesiumtechnologie GmbH geliefert. Informationen über den Herstellungsprozess von stranggepresstem ME21 können aus [7] und von gießgewalztem AZ31 aus [2] entnommen werden. Quasistatische Zug- sowie Druckversuche wurden bei Raumtemperatur und bei höheren Temperaturen an einer Zwick Universalzugprüfmaschine Z150 mit Feindehnungsaufnehmer multixtense durchgeführt. Für höhere Temperaturen wurde die Temperaturkammer Instron mit den Extensometern Sandner EXA x und Sandner EXA 25-10u verwendet. Zyklische Untersuchungen wurden an einer servohydraulischen Prüfmaschine (7 kn Zylinder mit 5 l/min Servoventil) kraftgeregelt mit einem Instron Labtronic 8800 Regler durchgeführt. Dabei werden die selben Extensometer wie bei den quasistatischen Versuchen verwendet. Um einen Geschwindigkeitseinfluss auszuschließen, wurden alle quasistatischen sowie zyklischen Untersuchungen mit einer Dehnrate < 10-4 s -1 durchgeführt. 3 Ergebnisse In allen Spannungs-Dehnungs-Diagrammen sind technische Spannungen und Dehnungen angegeben. 3.1 Quasistatische Zugeigenschaften bei Raumtemperatur In Abb. 1 links sind die SDV von gewalztem ME21-Feinblech und gießgewalztem AZ31-Feinblech (im Folgenden gewalztes ME21 und gießgewalztes AZ31) bei Beanspruchung in Längsrichtung gegenüber gestellt. ME21 zeigt gegenüber AZ31 eine höhere Streckgrenze und eine niedrigere Zugfestigkeit. Die Bruchdehnung ist bei ME21 (10 % bis 12 %) etwas geringer als bei AZ31 (12 % bis 15 %). In Abb. 1 rechts ist der Unterschied zwischen Längsrichtung und Querrichtung bei gießgewalztem AZ31 abgebildet. Unterschiedlich ist nur der elastoplastische Übergangsbereich mit der Streckgrenze. Der weitere Verlauf ist nahezu deckungsgleich. Die Werte der Zugeigenschaften sind in Tabelle 1 enthalten. Der E-Modul wurde über das Sekantenverfahren zwischen 10 MPa und 50 MPa bestimmt. Die Werte wurden über fünf Proben gemittelt. Generell liegen die quasistatischen Zugeigenschaften beider Legierungen in gewalzter bzw. gießgewalzter Form nahe zusammen. 98

3 Feinbleche, die über das Strangpressverfahren hergestellt werden, zeigen eine stärker ausgeprägte Richtungsabhängigkeit der Zugeigenschaften (Abb. 2). Auf eine ausgeprägte Textur bei stranggepresstem AZ31 deutet hin, dass die Streckgrenze in Querrichtung bei nur ca. 60 MPa liegt. Der Unterschied in Längs- und Querrichtung ist bei stranggepresstem ME21 weniger stark ausgeprägt, was vorteilhaft für die Auslegung von mehraxial beanspruchten Bauteilen ist. Bei einachsiger Beanspruchung ist das stärker anisotrope Verhalten von AZ31 vorteilhaft (1) ME21, gewalzt, längsrichtung (2) AZ31, gießgewalzt, längsrichtung (1) AZ31, gießgewalzt, Längsrichtung (2) AZ31, gießgewalzt, Querrichtung Abb. 1: Links: repräsentative SDV von gewalztem ME21 und gießgewalztem AZ31 im Vergleich (bis Bruch), rechts: Vergleich Längs- und Querrichtung bei gießgewalztem AZ31 (nicht bis Bruch). Tab. 1: Quasistatische Zugeigenschaften von gewalztem ME21 und gießgewalztem AZ31 ME21, gewalzt AZ31, gießgewalzt Längsrichtung Längsrichtung Querrichtung E-Modul E [GPa] 40,7 41,5 41,0 Zugfestigkeit R m [MPa] Streckgrenze R p0,2 [MPa] ,5 Bruchdehnung A [%] 12,2 13,0 13,5 Bei stranggepresstem AZ31 sowie ME21 ist der SDV von Anfang an nichtlinear und die Steifigkeit liegt deutlich unter dem E-Modul von reinem Magnesium (ca. 45 GPa [5]). Abb. 2 rechts zeigt den Steifigkeitsunterschied von stranggepresstem ME21 gegenüber gewalztem ME21. Einen ersten Anhaltspunkt für die Steifigkeit liefert der Ursprungsmodul [8] (Tabelle 2). 99

4 3 2 1 gewalzt 4 stranggepr. (1) ME21 Längsrichtung (2) ME21 Querrichtung (3) AZ31 Längsrichtung (4) AZ31 Querrichtung Abb. 2: Links: SDV von stranggepresstem ME21 und AZ31, längs und quer zur Strangpressrichtung (bis Bruch), rechts: Vergleich von gewalztem und stranggepresstem ME21 in Längsrichtung (nicht bis Bruch). Die in Tabelle 2 ausgewiesene Streckgrenze wurde über den Ursprungsmodul berechnet. Gegenüber gewalztem ME21 (Tabelle 1) weist stranggepresstes ME21 eine geringere Steifigkeit, Zugfestigkeit und Streckgrenze jedoch eine höhere Bruchdehnung bei Beanspruchung in Längsrichtung auf. Tab. 2: Quasistatische Zugeigenschaften von stranggepresstem ME21 und AZ31 ME21, stranggepresst AZ31, stranggepresst Längsr. Querr. Längsr. Querr. Ursprungsmodul E 0 [GPa] ca. 30 ca. 25 ca. 30 ca. 26 Zugfestigkeit R m [MPa] Streckgrenze R p0,2 [MPa] ,2 Bruchdehnung A [%] 19,3 10,4 21,5 18,6 Ein Vergleich der Steifigkeitseigenschaften von gewalztem und stranggepresstem Blech ist in Abb. 3 und Abb. 4 enthalten. Die darin dargestellten Steifigkeitsverläufe beziehen sich auf den Halbzeugneuzustand und gelten für den ersten Beanspruchungszyklus. Auch bei gewalztem Blech nimmt die Steifigkeit in Abhängigkeit der Dehnung bereits ab ca. 50 % der Streckgrenze stark ab. Nur bis zu einer Beanspruchung von ca. 75 MPa kann von einer Steifigkeit im Bereich 40 GPa ausgegangen werden. Darüber nimmt die Tangentensteifigkeit nahezu linear ab. Im Bereich der Streckgrenze liegen die Tangentensteifigkeitswerte unter 20 GPa. 100

5 ME21 AZ31 ME21 AZ31 Abb. 3: Spannungs-Dehnungs- und Steifigkeits-Dehnungs-Verlauf von gewalztem ME21 und gießgewalztem AZ31 in Längsrichtung (bis ca. R p0,2 ). Gegenüber gewalzten Blechen liegt bei stranggepressten Blechen im Halbzeugneuzustand der Ursprungsmodul im Bereich von 30 GPa. AZ31 zeigt quer zur Strangpressrichtung das ungünstigste Steifigkeitsverhalten (Abb. 4). Auch ME21 zeigt generell einen niedrigen Steifigkeitsverlauf. Um Steifigkeitsanforderungen einer Konstruktion erfüllen zu können, wäre somit ein höherer Materialeinsatz erforderlich, was letztendlich zu einem geringeren Leichtbauvorteil führen würde. Die Darstellung der Steifigkeits-Verläufe in Abb. 3 und Abb. 4 dienen in erster Linie zur Beurteilung des Blechs im Halbzeugneuzustand. Am Beispiel von stranggepresstem ME21 mit Beanspruchung in Längsrichtung ist in Abb. 5 der effektive E-Modul nach [9] in Abhängigkeit der Dehnung dargestellt. Der effektive E-Modul von 45 GPa tritt nur bei einer Beanspruchungshysterese mit einer Oberspannung bis 40 MPa auf und nimmt bei steigender Beanspruchung stark ab (Abb. 5). In Abhängigkeit der Zyklenzahl verändert sich der Spannungs-Dehnungs-Verlauf von stranggepresstem ME21 (Abb. 6). Bereits bei sehr niedrigen Spannungen ist ein nichtlineares Werkstoffverhalten erkennbar. Der Werkstoff ist zyklisch verfestigend. Nach 100 Zyklen kann keine nennenswerte Veränderung des SDV mehr festgestellt werden. 101

6 Abb. 4: Spannungs-Dehnungs- und Steifigkeits-Dehnungs-Verlauf von stranggepresstem ME21 und AZ31 (bis ca. R p0,2, Kurvenbezeichnung wie in Abb. 2). Abb. 5: SDV und Verlauf des effektiven E-Moduls von stranggepresstem ME21 mit Beanspruchung in Längsrichtung. 102

7 Zyklus: Abb. 6: SDV von stranggepresstem ME21 bei zyklischer Beanspruchung in Längsrichtung bis zur Streckgrenze (121 MPa) in Abhängigkeit der Zyklenzahl. Ursache für eine geringere Steifigkeit von stranggepresstem ME21 können Eigenspannungen, die während des Herstellprozesses entstehen, sein. 3.2 Quasistatische Druckeigenschaften bei Raumtemperatur Anders als bei Magnesiumgusslegierungen zeigen die untersuchten Magnesiumknetlegierungen eine deutliche Zug-Druck-Asymmetrie im SDV (Abb. 7). AZ31 ME21 Abb. 7: SDV von stranggepresstem ME21 und gießgewalztem AZ31 bei Druckbeanspruchung jeweils in Längsrichtung (links: bis 2 % Stauchung, rechts: AZ31 bis zum Bruch). Der SDV von AZ31 in Abb. 7 ist ähnlich wie in [6], wo vergleichsweise dicke, gewalzte AZ31-Platten untersucht wurden. Die Stauchgrenze von AZ31-Feinblech liegt bei ca. 120 MPa, die von ME21 liegt mit ca. 75 MPa deutlich niedriger. Bei Beanspruchungen über der Stauchgrenze fließt das Blech bei beiden Werkstoffen nahezu ideal plastisch bis es nach ca. 3 % Stauchung weiter verfestigt. In Abb. 7 rechts ist die Verfestigung nach dem Bereich des ideal-plastischen Fließens am Beispiel von AZ31 abgebildet. Die Druckfestigkeit kann aufgrund des Einflusses der Druckstütze auf die 103

8 Probe in diesem Versuch nicht genau bestimmt werden. Die Steifigkeiten sind bis zur Stauchgrenze mit denen in Zugrichtung vergleichbar. 3.3 Quasistatische Zugeigenschaften in Abhängigkeit der Temperatur Gießgewalztes AZ31 zeigt einen gleichmäßigen Abfall der Zugfestigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur (Abb. 8). Der E-Modul (bestimmt über das Sekantenverfahren im linearen Bereich) sinkt nahezu linear mit steigender Temperatur (Abb. 9). Bei stranggepresstem ME21 (Abb. 10) fällt auf, dass sich die Zugeigenschaften zwischen 150 C und 200 C bis auf die Bruchdehnung kaum verändern. Bei stranggepresstem ME21 steigt die Steifigkeit mit steigender Temperatur (Abb. 10 rechts), was durch einen Abbau von Eigenspannungen versursacht sein könnte. Nach Abb. 8 sind die Festigkeitswerte von AZ31 gegenüber ME21 bei höheren Temperaturen besser. Lediglich bei den Temperaturen 150 C und 200 C zeigt ME21 gegenüber AZ31 höhere Werte. -40 C 20 C 50 C 100 C 150 C 200 C 250 C Abb. 8: SDV von gießgewalztem AZ31 unter Zugbeanspruchung in Längsrichtung im Temperaturbereich von -40 C bis 250 C. Abb. 9: E-Modul in Abhängigkeit der Temperatur bei gießgewalztem AZ31 bei Zugbeanspruchung in Längsrichtung. 104

9 -40 C 20 C 50 C 100 C 200 C -40 C 150 C 200 C Abb. 10: SDV von stranggepresstem ME21 bei Zugbeanspruchung in Längsrichtung im Temperaturbereich von -40 C bis 200 C (links bis Bruch, rechts bis 0,8 % Dehnung). 3.4 Mikrostrukturelle Untersuchungen ME21 besteht nach [1] vorzugsweise aus 97,45 % Magnesium (Mg), 1,8 % Mangan (Mn) und 0,75 % Cer (Ce). Dies kann mit Hilfe einer EDX-Analyse für die untersuchten Proben in erster Näherung bestätigt werden (Abb. 11). Im Abstand von 5 bis 10 µm befinden sich fein verteilt ca. 1 bis 2 µm große Cer-haltige Partikel. Mangan ist wesentlich feiner verteilt. 100 µm 10 µm Spektrum Mg Mn Ce Sum alle Resultate in Massen-% Abb. 11: REM-Aufnahme der Oberfläche mit EDX-Analyse einer stranggepressten ME21-Probe. Nach [10] sind die Cer-haltigen Partikel für ein feinkörniges Gefüge und eine schwache Textur (erkennbar an der geringeren Anisotropie in Abb. 2) nach dem Strangpressen verantwortlich. Das Gefüge von stranggepresstem ME21 ist in Abb. 12 dargestellt. Die Korngröße liegt zwischen 10 und 20 µm. Die Cer-haltigen Partikel sind auch in Abb. 12 erkennbar. Bei den kleinen dunklen Stellen handelt es sich um Mangan. Gefügeuntersuchungen von gießgewalztem AZ31 sind in [11] enthalten. 105

10 Cer-haltig Mangan Abb. 12: Lichtmikroskopische Aufnahme der Oberfläche einer stranggepressten ME21-Probe. 4 Zusammenfassung Die mechanischen Eigenschaften von gewalztem ME21 gegenüber gießgewalztem AZ31 unterscheiden sich im Zugversuch bei Raumtemperatur nicht sehr stark. Stranggepresstes ME21 bzw. AZ31 zeigt im Halbzeugneuzustand gegenüber gewalzten Blechen eine geringere Steifigkeit (Ursprungsmodul im Halbzeugneuzustand von ca. 30 GPa). Gegenüber stranggepresstem ME21 besitzt stranggepresstes AZ31 eine sehr niedrige Streckgrenze in Querrichtung. Über die Sekante des Entlastungs-Spannungs-Dehnungs-Verlaufs kann bei stranggepresstem ME21 ein effektiver E-Modul von 45 GPa festgestellt werden. Dieser gilt jedoch nur bis zu einer Beanspruchung von ca. 40 MPa. Darüber sinkt der effektive E-Modul. Im Druckbereich ist sowohl bei gießgewalztem AZ31 als auch bei stranggepresstem ME21 die Fließgrenze wesentlich niedriger als im Zugbereich. Gießgewalztes AZ31 zeigt bei steigender Temperatur eine relativ gleichmäßig abfallende Zugfestigkeit sowie eine stark ansteigende Bruchdehnung. Der E-Modul sinkt nahezu linear mit steigender Temperatur. Zur Verbesserung der Steifigkeitseigenschaften von stranggepresstem ME21 wird im nächsten Schritt das Problem der Eigenspannungen genauer untersucht. Dabei sollen mit Hilfe einer geeigneten Wärmebehandlung die Eigenspannungen minimiert werden. 106

11 Danksagung Die vorgestellten Untersuchungen wurden im Kompetenzzentrum Leichtbau der Hochschule Landshut durchgeführt. Wir danken dem Bayerischen Staatsministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst für die Unterstützung dieses Projektes im Rahmen des Programms "Förderung der angewandten Forschung und Entwicklung an Hochschulen für angewandte Wissenschaften". Bei den Studierenden Christoph Angermeier, Mario Saller und Christian Schwaighofer bedanken wir uns für die tatkräftige Unterstützung bei der Versuchsvorbereitung und -durchführung. Darüber hinaus gilt unser Dank der Stolfig AG für die Bereitstellung der Werkstoffproben. 107

12 Literatur [1] Stolfig, P.: Magnesiumlegierung MnE21. Stolfig GmbH, Deutsches Gebrauchsmuster Nr , [2] Kawalla, R.: Pressemappe zur Gründungsveranstaltung für das Zentrum für hochfeste und duktile Magnesiumwerkstoffe. Freiberg, [3] Stolfig, P.: MnE21, Herstellung und Einsparpotenzial für Bauteile. Vortrag im Leichtbau-Kongress der eurolite, Leichtbau-Cluster, Salzburg, [4] Kainer, K. U.: Magnesium - Eigenschaften, Anwendungen, Potenziale. Wiley- VCH, Weinheim, [5] Kammer, U.: Magnesium Taschenbuch. Aluminium-Verlag, Düsseldorf, [6] Noster, U.: Zum Verformungsverhalten der Magnesiumbasislegierungen AZ31 und AZ91 bei zyklischen und quasi-statischen Beanspruchungen im Temperaturbereich 20 C C. Dissertation, Universität Kassel, [7] Rudzewski, S.: Der MnE21 Prozess - der umweltbewusste Beitrag für den Leichtbau der Zukunft. Vortrag im 5. Landshut-Ingolstädter Leichtbausymposium, Leichtbau-Cluster, Ingolstadt, [8] Dripke, M., Michalzik, G.: Der Zugversuch bei quasi-statischer Beanspruchung. Castell-Verlag GmbH, Wuppertal, [9] Betten, J.: Kontinuumsmechanik - Elastisches und inelastisches Verhalten isotroper und anisotroper Stoffe. Springer, Berlin, [10] Huppmann, M.; Gall, S.; Müller, S.; Reimers, W.: Changes of the texture and the mechanical properties of the extruded Mg alloy ME21 as a function of the process parameters. Material Science and Engineering Part A, V 528, 2010, S [11] Schwaighofer, C.: Untersuchung des Steifigkeits- und Festigkeitsverhaltens der Magnesiumlegierung AZ31 in Blechform. Bachelorarbeit, Kompetenzzentrum Leichtbau, Hochschule Landshut, Kontakt: Dipl.-Ing. (FH) Johannes Dallmeier Kompetenzzentrum Leichtbau (LLK) Hochschule Landshut Am Lurzenhof Landshut mailto: johannes.dallmeier@fh-landshut.de 108