&quot;Development of a test method for testing stress corrosion cracking of 7000 series aluminium alloys for automotive applications&quot;

Magaji-Mehta, Neeta; Spatschek, Robert; Zander, Brita Daniela

doi:42904

"Development of a test method for testing stress corrosion cracking of 7000 series aluminium alloys for automotive applications"

Magaji-Mehta, Neeta^RWTH*

2023 & 2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Neeta Magaji-Mehta, M.Sc. RWTH

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Zander, Brita Daniela (Thesis advisor)^RWTH* ; Spatschek, Robert (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-10-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-11557
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/974704/files/974704.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
7000 series (frei) ; Al-Zn-Mg-Cu (frei) ; Korrosion (frei) ; Spannungsrisskorrosion (frei) ; aluminium (frei) ; corrosion (frei) ; stress corrosion cracking (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Al-Zn-Mg-(Cu)-Aluminiumlegierungen, auch bekannt als 7xxxer-Serie der Aluminiumlegierungen, haben in den letzten Jahren aufgrund ihres sehr guten Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses in der Automobilindustrie große Aufmerksamkeit erregt und sind damit ein beliebter Kandidat für den Leichtbau. Eines der Hauptprobleme im Zusammenhang mit dieser hochfesten Legierungsserie ist jedoch die hohe Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion (SpRK), die zu spontanen Ausfällen während der Nutzungsdauer eines Fahrzeugs führen kann. Spannungsrisskorrosion ist ein komplexes Phänomen, das auftritt, wenn ein anfälliges Material, eine Überschreitung der Grenzspannung und ein korrosives Medium zusammenkommen. Da es schwierig und komplex ist die kritischen Einflussfaktoren wie Spannungsbelastungen und Umwelteinflüsse vorherzusagen, stellt das Verständnis der Auswirkungen von Spannungsrisskorrosion während der Betriebsdauer eines Fahrzeuges eine ernsthafte Herausforderung dar. Ziel dieser Arbeit ist es, die kritischen Einflussfaktoren und ihre synergistischen Wechselwirkungen während der Betriebszeit eines Fahrzeuges wissenschaftlich zu analysieren. Diese Analyse fließen dann in einen neuen SpRK-Test, dem MBSC ein, mit dem die Spannungsrissempfindlichkeit der 7xxx Aluminiumlegierungen gezielt für die Anwendung in der Automobilindustrie getestet werden sollen. Bei der Konzeption der Prüfmethode wird in dieser Arbeit ein neuer Ansatz namens Design for Six Sigma (DFSS) verwendet. Dabei handelt es sich um eine systematische Produktentwicklungs-Methode, die es ermöglicht, komplexe Produkte oder Prozesse systematisch zu gestalten. Der Einsatz dieser Methodik für die Entwicklung künftiger Korrosionsprüfverfahren wurde in dieser Arbeit bewertet. Für die Testentwicklung werden vier Legierungen mit unterschiedlichen Zn-, Mg- und Cu-Gehalten und die Wärmebehandlungsstufen T4, T6 und T7 verwendet, sodass eine Reihe verschiedener SpRK-Anfälligkeiten gegeben ist. Die verschiedenen Faktoren, die für SpRK im Fahrzeugbetrieb entscheidend sind, werden in Umwelt- und mechanische Parameter geclustert und jeweils für sich analysiert. Die signifikanten Umweltparameter werden mit Hilfe der statistischen Versuchsplanung DoE (Design of Experiment) untersucht. Die mechanischen Parameter werden anhand der drei ausgewählten Proben experimentell untersucht und mit den Probenspannungen verglichen, die bei kritischen Betriebslasten im Fahrzeug auftreten. Parallel wurden die Legierungen unter Spannung in der Freibewitterung getestet. Die Ergebnisse aus der Freibewitterung werden zur Validierung des Mercedes Benz Stress Corrosion Test verwendet. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass der Einsatz des DFSS vorteilhaft war, um die komplexe Analyse des Lebenszyklus eines Automobils zu strukturieren und dieses Wissen effizient für die Entwicklung der neuartigen Testmethode einzusetzen. Ein Hauptvorteil bei der Anwendung der DFSS war die Möglichkeit, die komplexen Einflussparameter ganzheitlich zu untersuchen und nicht nur einzelne, definierten Laborbedingungen, wie es in den meisten wissenschaftlichen Studien der Fall ist. Eine wichtige Aussage dieser Arbeit war das Potenzial der DFSS-Methode als standardisierter Ansatz für die Entwicklung zukünftiger Korrosionsprüfverfahren.Die Ergebnisse der Einzel- und Synergieeffekte aus den genannten Untersuchungen dienen als Grundlage für die Entwicklung einer neuen Prüfmethode, dem Mercedes Benz Stress Corrosion Test (MBSC). Der signifikante Einfluss Umgebungsparameter wie Testtemperatur und Temperatursprünge auf die Spannungsrisskorrosion im MBSC-Testzyklus nachgewiesen. Bei der Untersuchung des Einflusses von Umweltparametern war festgestellt, dass Anionen und Kationen, insbesondere NH4+und NO3-, einen signifikanten Einfluss auf interkristalline Korrosion haben und somit als Initiator für SpRK werden und den SpRK-anfälligkeit erhöhen. Ferner wurde in der Arbeit optimale Parametern für den beschleunigten Korrosionstest mit Blick auf die unterschiedliche SpRK-Anfälligkeit der getesteten Legierungen analysiert und diskutiert. Zuletzt werden die Ergebnisse des MBSC-Tests durch den Nachweis einer hohen Korrelation zu den Ergebnissen der Freibewitterung validiert. Mit Hilfe der DFSS-Methode wurde ein auf die Belange der Fahrzeugindustrie neuer Test kreiert, mit dem die SpRK-Korrosionsanfälligkeit von 7xxx Al-Legierungen während der Laufzeit eines Fahrzeuges dargestellt wird. Der MBSC ermöglicht eine exakte Unterscheidung von SpRK anfälligen und nicht anfälligen 7xxx Al-Legierungen. Hervorzuheben ist, dass mit dem MBSC-Test auch nur leicht anfällige Legierungen identifiziert, werden können, was mit dem ASTM G47-98, einem verbreiteten Standard-Test auf SpRK-Anfälligkeit, nicht möglich ist. Deswegen hat der MBSC-Test eine hohe Bedeutung für die Fahrzeugindustrie.

In recent years, the Al-Zn-Mg-(Cu) aluminium alloys, also known as the aluminium 7xxx series, have drawn considerable attention in the automotive industry owing to its high strength-to-weight ratio, making it a favored candidate for light-weight automobile construction. Nonetheless, a prominent challenge associated with these alloys is their high risk of susceptibility to stress corrosion cracking (SCC), which poses a significant risk of spontaneous failures in the service life of an automobile. Stress corrosion cracking is a complex phenomenon, involving the simultaneous effect of a susceptible material, minimum threshold stress, and a corrosive medium. Understanding the effects of SCC with respect to automobile poses a serious challenge due to the difficulty in predicting the influence of critical factors, such as stress conditions and environmental variations in the complex automotive lifecycle. This work aims to scientifically analyse the critical influencing factors, with a primary focus on their synergistic interactions occurring in the complex automotive lifecycle. This knowledge is then incorporated into designing a novel accelerated SCC test, called the MBSC test, which can test the SCC susceptibility of the 7xxx alloys specifically for the automotive application. In this thesis, a novel design approach, called Design for Six Sigma (DFSS), was the primary design methodology. The DFSS is a customer-centric product development methodology that enables the designing of complex products or processes systematically. The potential use of this methodology for the development of future corrosion test methods was assessed in this thesis. Four alloys, each with varying contents of Zn, Mg and Cu, and varying temper treatments were studied in this work, hence providing a range of SCC susceptibility for testing. The effects of various factors that are critical to SCC were clustered into environmental and mechanical parameters and individually analysed. The significant environmental parameters were investigated through Design of Experiment. The significant mechanical parameters were experimentally investigated on the three chosen mechanical specimens and compared to the specimen stresses occurring in critical in-service load conditions. Finally, an outdoor exposure test was carried out, the results of which were used to validate the Mercedes Benz Stress Corrosion Test (MBSC). The results showed that using the DFSS was advantageous in structuring the complex analysis of the automotive lifecycle and efficiently implementing it in the designing of the MBSC Test. A key benefit of using this approach was the ability to study the influencing parameters as an integrated whole rather than studying them individually under carefully controlled parameters, which is typically observed in most scientific studies. A significant outcome of this thesis was highlighting the potential of DFSS method as a standardized framework for the development of future corrosion test methods, particularly in the context of SCC tests. The results of the individual and synergistic effects from the above investigations served as the basis for the development of a new test method, the Mercedes Benz Stress Corrosion Test (MBSC). Studying the influence of environmental parameters revealed critical parameters such as test temperature and range of temperature variation in the MBSC corrosion test cycle had a significant influence on the SCC susceptibility. Moreover, anions and cations, NH4+ and NO3- in the salt solution, had a significant influence on the intergranular corrosion of the tested alloys. This in turn acted as accelerator for initiation points for SCC, thus increasing SCC susceptibility. Similarly, qualitative analysis of the various mechanical specimens showed the significant influence of mechanical parameters such as load propagation mode, stress distribution and stress magnitude on the SCC susceptibility of the tested alloys. Optimal environmental and mechanical parameters for the MBSC test were derived through this analysis. The results obtained from the MBSC test were consequently validated by showing a high correlation to the outdoor exposure test results.With the help of the DFSS method, a novel test was created to the needs of the automotive industry which can represent the SCC corrosion susceptibility of 7xxx Al alloys during the service life of a vehicle. The MBSC allows an exact differentiation between SCC susceptible and non-susceptible 7xxx Al alloys. It should be emphasized that the MBSC test can also identify only slightly susceptible alloys, which is not possible with ASTM G47-98, a widely used standard test for SCC susceptibility. The MBSC has a high significance for the automotive industry, as it allows a differentiated selection of 7xxx aluminium alloys for future automotive designing.

OpenAccess:
PDF
(additional files)