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Zellulare Aluminium-Legierungen als Modell für das elastisch-plastische Verhalten von zellularen Materialien

Zellulare Metalle stellen eine neue Werkstoffklasse dar und zeichnen sich durch ihre geringe Dichte und physikalische Eigenschaften, die sie deutlich von klassischen Metallen unterscheidet, aus. Neue Herstellungsprozesse machen diesen an die Natur (vgl. zellularer Aufbau von Knochen oder Holz) angelehnten Werkstoff auch in größeren Mengen und Formen in jüngster Zeit verfügbar. Der Einsatz zellularer Materialien, wie z.B. Metallschäume, wird in gewichtsoptimierten oder energieabsorbierenden (passive Sicherheit) Komponenten vorgeschlagen. Der Einsatz in lasttragenden bzw. sicherheitsrelevanten Strukturen darf und wird jedoch nur erfolgen, wenn das mechanische Verhalten dieser Werkstoffe ausreichend rechnerisch simuliert werden kann. Die mechanischen Eigenschaften von zellularen Metallen, insbesondere der Widerstand gegen plastische Verformung, Schädigung und Bruch, werden sowohl von der Struktur der Werkstoffe (Anteil, Anordnung, Größe und Form der Zellen) als auch von dem Verhalten des Grundwerkstoffes selbst bestimmt. An realen zellularen Werkstoffen (z.B. Aluminiumschäume) experimentell ermittelte Materialkennwerte streuen jedoch infolge des heterogenen Aufbaus der Werkstoffe sehr stark. Zudem lassen sich mehrachsige Verformungszustände an hierfür geeigneten Probekörpern nur bedingt durchführen. Das Materialverhalten des Grundwerkstoffes ist im Falle der Metallschäume mit extrem dünnen Stegen auch nur unzureichend bekannt. Üblicherweise werden an zellularen Werkstoffen einachsige Zug- bzw. Druckversuche durchgeführt und anhand der Verfestigungskurven das plastische Verhalten beurteilt. Anhand des Makroverhaltens werden kontinuumsmechanische Kennwerte in Abhängigkeit der relativen Dichte ermittelt. Im Rahmen dieser Arbeit werden für grundsätzliche Untersuchungen zum mechanischen Verhalten von zellularen Metallen perforierte Flachproben und Quader mit einem regelmäßigem Lochmuster verwendet. Durch Veränderung des Lochabstandes können dabei verschiedene relative Dichten bzw. Anfangsschädigungen eingestellt werden. An diesen Proben werden einfache Grundversuche, wie Zug-, Druck-, und Schubversuche, durchgeführt. Entlastungsversuche sollen Informationen über die Schädigungsentwicklung liefern. Mittels der experimentell gewonnen Ergebnisse können die numerischen Simulationen anschließend validiert weden.
Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. habil. Günther Kuhn

Beteiligte:
Dr.-Ing. Werner Winter

Stichwörter:
Perforierte Werkstoffe, zellulare Materialien, Plastizität, Schädigung

Laufzeit: 1.9.1997 - 31.12.2010

Förderer:
FAU Erlangen-Nürnberg

Publikationen
Bauer, Thilo ; Öchsner, Andreas ; Winter, Werner ; Kuhn, Günther: Implementierung von User Subroutines in das FE-Programm MARC/MENTAT . Erlangen : FAU Erlangen-Nürnberg. 1999 (3). - Interner Bericht. 26 Seiten
Öchsner, Andreas ; Winter, Werner ; Kuhn, Günther: Verformungs- und Dehnungsfeldermittlung an zellularen Werkstoffen mittels Rasterverfahren . In: Technisches Messen (1999), Nr. 10, S. 386-389
Öchsner, Andreas ; Winter, Werner ; Kuhn, Günther: Damage and Fracture of Perforated Aluminum Alloys . In: ADV. ENG. MATER: 2 (2000), Nr. 7, S. 423-426
Gegner, Jürgen ; Öchsner, Andreas ; Winter, Werner ; Kuhn, Günther: Metallographische Untersuchungen zur duktilen Schädigung in Aluminium-Legierungen . In: Prakt. Metallogr. 10 (2000), Nr. 37, S. 563-579
Öchsner, Andreas ; Winter, Werner ; Kuhn, Günther: Perforierte Aluminium-Legierungen als Modell für Schädigung und Bruch in zellularen Metallen . In: Mat.-wiss. u. Werkstofftech. (2000), Nr. 6, S. 567-570
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