Mikro-Makro-Modellierung der Austenitbildung und Karbidauflösung mit anschließendem Kornwachstum bei der Kurzzeitwärmebehandlung von Stahl
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Es wurde ein Konzept zur gekoppelten Mikro-Makro-Simulation der Phasenumwandlungen unter Berücksichtigung von Austenitkornwachstum in der Wärmebehandlung von Stahl entwickelt und in ein Simulationsprogramm umgesetzt. Die Phasenumwandlungen beim Austenitisieren werden auf Mikroebene (d.h. Gefügeebene) mittels der „Sharp Interface“-Methode simuliert. Zusätzlich erfolgt das Kornwachstum mittels Monte-Carlo-Methode in der Mikroebene. Auf der Mikroebene werden berücksichtigt: Kugelige Karbide in einer Ferrit-Matrix als Ausgangsgefüge Keimbildung des Austenits an den Karbiden Diffusion des Kohlenstoffs Austenitkornwachstum über die Monte-Carlo-Methode Martensitbildung in Abhängigkeit des lokalen Kohlenstoffgehalts und der lokalen Korngröße Härteberechnung in Abhängigkeit des Gefüges und der Kohlenstoffverteilung Die Makrosimulation berücksichtigt das Temperaturfeld sowie die in der Mikrosimulation berechneten Phasenanteile. Da die einzelne Mikrosimulation sehr zeitaufwändig ist, wurde ein Interpolationsalgorithmus entwickelt, der aus wenigen Mikrosimulationen an ausgewählten Gausspunkten eine Vorhersage für das ganze Bauteil erlaubt. Darauf aufbauend wurde eine Mikro-Makro-Simulationsroutine für die Simulation einer Wärmebehandlung von Stählen erstellt. Aufgrund der langen Rechendauern der Mikrosimulation ist es derzeit nur möglich, eine Kurzzeitwärmebehandlung durchzuführen. Allerdings sind bei Kurzeitwärmebehandlung lokale und globale Inhomogenitäten besonders ausgeprägt. Insbesondere lokale Inhomogenitäten lassen sich nur durch die Kopplung einer Mikrosimulation mit einer Makrosimulation abbilden. Exemplarisch wurde die Mikro-Makro-Simulation bei der induktiven Kurzzeitwärmebehandlung an Bauteilen aus dem Stahl 100Cr6 durchgeführt. Dazu wurden zunächst die für die Mikrosimulation nötigen Parameter durch Anpassung an experimentelle Ergebnisse beim Austenitisieren bestimmt. Die Parameter für die kohlenstoff- und korngrößenabhängige Martensitbildung wurden der Literatur entnommen. Die Bauteilsimulation erfolgte unter zusätzlicher Berücksichtigung des elektromagnettischen Feldes und dem damit verbunden Wärmeeintrag.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Mikro-Makromodellierung der Gefügeumwandlung von Stahl bei der Simulation der Kurzzeitwärmebehandlung. Tagungsband SYSWELD Forum 2011, 25.-26.10 2011, Weimar; (2011) 80 - 90
M. Hunkel
