Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5047
Main Title: Mechanische Eigenschaften und Versagensmechanismen offenzelliger Aluminiumschaum-Strukturen
Translated Title: Mechanical properties and failure behaviour of open cell Aluminium foam structures
Author(s): Schüler, Paul
Advisor(s): Fleck, Claudia
Referee(s): Fleck, Claudia
Bührig-Polaczek, Andreas
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: In the context of the development of new and innovative concepts for lightweight design, metal foams have awakened the interest of research institutes and industry for some considerable amount of time, as they provide almost isotropic mechanical behaviour and superior temperature stability in comparison with competing cellular materials. Furthermore, the cellular structure of the metal foams provides a number of functional properties in addition to their ability to carry mechanical load, such as vibration dampening and efficient energy absorption. The investment casting route in combination with additive layer manufacturing of the casting moulds allows the manufacture of new aluminium based metal foam structures with an almost free design of the of cells and struts geometry. The optimization of the effective properties of the metal foam structures through the fine-tuning of structural and material-specific parameters requires a deep understanding of the complex interaction structure and effective properties of the material. In view of the above, this thesis investigates the microstructure- and topology-related failure mechanisms and studies their impact on the effective properties of open-cell investment-cast aluminium foams under uniaxial compression. The thesis considers a wide range of stochastic and periodic foam structures with cubic, octahedral and Kelvin unit cells and with relative densities between 2 and 20 %. Furthermore, three different alloys (Al99.99, AlSi7Mg0.3 and AlSi12Mg0.3) were used for the manufacturing of the samples and some of the AlSi7Mg0.3 samples were further heat treated in order to modify their microstructure and properties. It is shown that the mechanical properties of the metal foams can be specifically designed and improved by fine-tuning their microstructure. For example, arranging the cell edges in parallel to the direction of the loading and optimizing their connectivity and shape increases the strength and stiffness of the metal foam structures, whereas the energy absorption can be maximized with bending-dominated structures and reduced ductility of the struts. Based on experimental data, a phenomenological model was developed to describe the mechanical behaviour and energy absorption properties of stochastic aluminium foams. Furthermore, approaches for the optimization of the shape of the foam struts are described.
Für die Entwicklung neuartiger, innovativer Leichtbaukonzepte haben metallische Schäume bereits seit längerem das Interesse von Forschung und Industrie geweckt, da sie gegenüber konkurrierenden zellularen Materialien ein nahezu isotropes mechanisches Verhalten und höhere Temperaturstabilität aufweisen. Ferner ermöglicht die zellulare Struktur neben lasttragender Funktion auch die gleichzeitige Nutzung funktionaler Eigenschaften, wie z. B. Schwingungsdämpfung oder effiziente Energieabsorption. Mit Hilfe des Feingussverfahrens in Kombination mit additiver Fertigung der Gießmodelle lassen sich hierbei neuartige Al-Schaumstrukturen mit nahezu beliebigen Zell- und Steggeometrien herstellen. Um eine optimale Einstellung der effektiven Eigenschaften der Schaumstrukturen durch die gezielte Abstimmung der verschiedenen strukturellen und materialspezifischen Einflussgrößen zu erzielen, bedarf es eines tiefgreifenden Verständnisses der komplexen Struktur-Eigenschaft-Beziehungen. Vor diesem Hintergrund wurden in der vorliegenden Arbeit die mikrostruktur- und topologiebedingten Versagensmechanismen und deren Einfluss auf die effektiven mechanischen Eigenschaften verschiedener offenzelliger, feingegossener Al-Schaumstrukturen unter uniaxialer Druckbeanspruchung untersucht. Für die Untersuchungen wurde ein breites Spektrum an verschiedenen stochastischen sowie periodischen Al-Schaumproben mit kubischer, oktaedrischer und Kelvin-Einheitszelle und relativen Dichten zwischen rund 2 und 20 % betrachtet. Ferner wurden für die Probenherstellung drei verschiedene Gusslegierungen (Al99.99, AlSi7Mg0.3 und AlSi12Mg0.3) verwendet, und ein Teil der AlSi7Mg0.3-Proben wurde zur weiteren Modifizierung der Gefügestruktur und Eigenschaften verschiedenen Wärmebehandlungen unterzogen. Aus den Ergebnissen zeigt sich, dass mit Hilfe eines gezielten Designs der Schaum- und Gefügestruktur deutliche Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften erzielt werden können. Besonders hohe Festigkeiten und Steifigkeiten lassen durch die Orientierung der Stege zur Belastungsrichtung, eine Veränderung der Konnektivität sowie eine Optimierung der Steggeometrie erzielen. Eine möglichst effiziente Energieabsorption wird hingegen eher mit rein-biegedominierten Strukturen und eingeschränkter Duktilität des Stegmaterials erreicht. Auf Basis der experimentellen Daten wurden ferner ein phänomenologisches Modell zur Beschreibung des mechanischen Verhaltens und der Energieabsorptions-Eigenschaften stochastischer Al-Schäume entwickelt sowie Ansätze für eine Optimierung der Steggeometrie aufgezeigt.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5369
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5047
Exam Date: 16-Dec-2015
Issue Date: 2016
Date Available: 15-Mar-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Al-Schaum
Metallschaum
zellulare Metalle
Energieabsorption
mechanische Eigenschaften
Mikrostruktur
Gefüge
Versagensmechanismen
Al foam
metal foam
cellular metal
metallic foam
energy absorption
mechanical properties
microstructure
failure mechanism
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
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