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E2 - Magnetische Magnesiumlegierungen

Belastungserfassung mittels magnetischer Magnesiumlegierungen

Das Ziel des Teilprojekts E2 ist die Entwicklung und Herstellung von magnetischen Magnesiumlegierungen mit sensorischen Eigenschaften. Diese Werkstoffe können als belastungsempfindliche Sensormaterialien genutzt
werden, weil sie die Erfassung relevanter Informationen über die Betriebsbedingungen, insbesondere die anliegenden, dynamischen mechanischen Lasten, werkstoffinhärent über die Änderung ihrer magnetischen Eigenschaften ermöglichen. Diese Änderung, die auf dem Effekt der inversen Magnetostriktion (Villari-Effekt) beruht, kann mit Hilfe moderner Methoden zur zerstörungsfreien Bauteilprüfung und Materialcharakterisierung,
etwa der hochauflösenden Wirbelstromtechnik unter Anwendung der Harmonischen-Analyse, im laufenden Betrieb ausgelesen und verarbeitet werden. Mit Hilfe solcher Messdaten der Belastungshistorie kann die zu erwartende Lebensdauer von Bauteilen abgeleitet werden, so dass Wartungsintervalle geplant und nachfolgende Bauteilgenerationen optimiert werden können.

Magnesiumlegierungen verfügen aufgrund hoher spezifischer Festigkeiten bei geringer Dichte über großes Leichtbau-Potenzial. Da Magnesium selbst und gebräuchliche Mg-Legierungen nicht über ferromagnetische Eigenschaften verfügen, wurden im TP E2 neue Legierungen auf Basis von Magnesium und Kobalt entwickelt, deren Gefüge Phasen mit deutlich messbaren ferromagnetischen Eigenschaften enthält. Die magnetischen Eigenschaften der Legierungen unter zyklischer Beanspruchung werden in Kooperation mit dem TP S3 mittels der Harmonischen-Analyse von Wirbelstromsignalen bestimmt. Die Messwerte der Harmonischen liefern Aussagen über den momentanen Werkstoffzustand und die Gitterverspannungen infolge der auf die Mg-Proben einwirkenden Kräfte. Hierbei zeigen verschiedene Varianten der Legierungen für die Online-Belastungsmessung geeignetes, sensorisches Verhalten (Bild 1). Diese Methode kann eingesetzt werden, um die mechanischen Lasten an bspw. einer Schubstrebe aus stranggepresstem MgCo4Zn1RE zu überwachen (Bild 2).
 

Bild 1: Korrelation von mechanischer Last und Messwerten der 3. Harmonischen des Wirbelstromsignals
Bild 2: Gentelligenter Pushrod eines Formula Student Fahrzeugs mit Wirbelstromsonde zur Messung der magnetischen Eigenschaften

 
Darüber hinaus ermöglichen die magnetischen Mg-Legierungen eine werkstoffinhärente Datenspeicherung. In Bild 3 sind vergleichend zwei gemessene Hysteresekurven der gießtechnisch hergestellten Legierungen gezeigt. Das Ziel in der dritten Förderperiode ist die werkstoffinhärente Vererbung von Information über lokale Überbelastungen im Bauteil, die während der Nutzungsphase auftreten. Dazu werden die verbleibenden Änderungen der Harmonischen Messsignale nach mechanischer Überbeanspruchung der betroffenen Bauteilbereiche untersucht und Konzepte zur Nutzung dieser Informationen durch die Messung der belastungsabhängigen magnetischen Eigenschaften erarbeitet.
 

Bild 3: Vergleich der magnetischen Hysterese der Legierung MgCo4 und MgCo4Zn2