Im Rahmen des Grünen Deals der Europäischen Union (EU) werden die Automobilhersteller die CO2‐Emissionen ihrer Neuwagenflotten drastisch reduzieren müssen. Dies erfordert u. a. neue Leichtbaukonzepte, z. B. durch den Einsatz hochfester Al‐Si‐Mg‐Legierungen im Bereich der Motoren‐ und Strukturbauteile, wodurch eine Gewichtseinsparung von 40‐50% im Vergleich zu Stahl‐ und Eisengusswerkstoffen realisiert werden können. Al‐Si‐Mg‐Legierungen können mittels additiver Fertigung und Gießverfahren hervorragend verarbeitet werden. Verfahrensbedingt kommt es allerdings zur Ausbildung von Erstarrungsdefekten, u. a. Gasporen, Schwindungsporen und Anbindungsfehler, die die Ermüdungslebensdauer drastisch reduzieren. Weil diese lokalen Defekte zum Bruch führen, ist eine integrale Betrachtung mittels Wöhler‐Kurven nicht mehr zielführend, sodass Shiozawa‐Kurven [1] genutzt werden, bei denen der Spannungsintensitätsfaktor am bruchauslösenden Defekt als lokale Ermüdungsbeanspruchung genutzt wird. In dieser Arbeit wurden unterschiedliche Konzepte der linearelastischen (LEFM) und elastisch‐plastischen Bruchmechanik (EPFM) genutzt und hinsichtlich Berücksichtigung der Einflüsse von Defektgröße und ‐lage, Spannungsverhältnis und zyklischen
Spannungs‐Dehnungs‐Verhalten qualifiziert.

Die experimentellen Untersuchungen wurden an einer additiv‐gefertigten AlSi10Mg‐Legierung (PBF‐LB) und zwei gießtechnisch‐gefertigten Legierungen AlSi7Mg und AlSi10Mg (Sandguss mit Kühlplatte) durchgeführt. Die Mikrostruktur wurde im Licht‐ und Rasterelektronenmikroskop und die Porosität im Computertomograph charakterisiert. Das zyklische Spannungs‐Dehnungs‐Verhalten wurde mittels „Incremental‐Step‐Test“ (IST) bei 0,05 Hz unter Einsatz eines servohydraulischen Prüfsystems ermittelt. Das Ermüdungsverhalten wurde bei ca. 70 Hz am Resonanzprüfsystem bei verschiedenen einsatzrelevanten Spannungsverhältnissen (R = ‐2; ‐1; ‐0,5; 0,1; 0,5) untersucht und die bruchauslösenden Defekte zur Ermittlung der lokalen Ermüdungsbeanspruchung vermessen. Die lokale Ermüdungsbeanspruchung am Defekt wurde auf Basis von LEFM‐Ansätzen und dem Spannungsintensitätsfaktor, u. a. Murakami [2] und EPFM‐Ansätzen auf Basis des J‐Integrals, u. a. Heitmann [3], bewertet. Die lokale Betrachtung mit Shiozawa‐Kurven führt zu einer deutlichen Verbesserung der Lebensdauervorhersage im Vergleich zur integralen Betrachtung mittels Wöhler‐Kurven. Die zuverlässigste Vorhersage der Ermüdungslebensdauer war mit EPFM‐Ansätzen möglich. Hierbei konnten sogar die deutlichen fertigungs‐ und legierungsspezifischen Unterschiede in der Mittelspannungsempfindlichkeit und im zyklischen Spannungs‐Dehnungs‐Verhalten berücksichtigt werden.

Danksagung
Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft für die Förderung der Projekte "Identifikation und Modellierung der Schädigungsmechanismen in Al‐Si‐Mg‐Gusslegierungen während Ermüdungsbeanspruchung bei hohen und sehr hohen Lastspielzahlen" und "Mechanismenbasierte Untersuchung additiv gefertigter Aluminium‐Matrix‐Verbundwerkstoffe für erhöhte mechanische Festigkeit" mit den Projektnummern 282318703 und 425479688. Darüber hinaus danken wir den Projektpartnern der Hochschule Osnabrück und RWTH Aachen sowie dem Fraunhofer IAPT (Hamburg) für die Probenbereitstellung und die exzellente Zusammenarbeit.

Referenzen
[1] K., Shiozawa; L.; Lu. 11th International Fatigue Congress, 2008, 44‐46, 33‐42.
[2] Y., Murakami. International Journal of Fatigue, 2012, 41, 2‐10.
[3] H., Heitmann et al. Fracture, 1984, 84, 3599‐3606.