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Projekt
Modellierung der bainitischen Umwandlung beim Presshärten
Antragsteller
Dr.-Ing. Martin Hunkel; Professor Dr.-Ing. Ulrich Prahl; Professor Dr. Robert Spatschek
Fachliche Zuordnung
Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
Förderung
Förderung von 2014 bis 2021
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 257471754
Presshärten ist eine wichtige Technologie zur Herstellung sicherheitsrelevanter Komponenten im Automobilbereich. Bleche werden auf eine austenitische Temperatur erwärmt, umgeformt und anschließend in derselben Presse unter Last abgeschreckt. Mit dieser Technologie können komplex geformte Bauteile aus ultrahochfesten Stählen gefertigt werden, die ein hohes Leichtbaupotential zeigen. In Abhängigkeit von den Abschreckbedingungen bilden sich dabei martensitische oder bainitische Mikrostrukturen, wobei es eine starke Kopplung zwischen mechanischer Belastung, internen Spannungen, chemischer Zusammensetzung und Phasenumwandlungskinetik gibt.In diesem Projekt liegt der Fokus auf austenitisch-bainitischen Umwandlungen beim partiellen oder bainitischem Presshärten, bei dem Werkzeuge mit 400 bis 500 °C verwendet werden. Bedingt durch die Prozessführung bildet sich hierbei Bainit aus einem vorverformten Austenit unter hohen Spannungen. Das Ziel dieses skalenübergreifenden Projekts ist das fundamentale Verständnis der zugrundeliegenden bainitischen Umwandlung. Wir starten mit der theoretischen Beschreibung der Bainitplatten und -nadeln auf der Nanometerskala mit Hilfe der Phasenfeldmethode. Die Ergebnisse dieser Modellierung beschreiben die Geschwindigkeit der Phasengrenze, die wiederum eine Kopplung an die nächsthöhere Längenskale des Mesoskala erlaubt, auf der die Umwandlungskinetik und die Werkstoffeigenschaften in einem repräsentativen Volumenelement unter Berücksichtigung von plastischen Deformationen modelliert werden. Die Ergebnisse der Mesoskala werden an die makroskopische Beschreibung übergeben, die auf einem Mean-field-Konzept basiert und um kinetische Modelle erweitert wird. Damit ist eine theoriegeführte Vorhersage der Umwandlungskinetik sowie der mechanischen Eigenschaften unter dem Einfluss von mechanischen Lasten möglich. Schlussendlich erlaubt die FE-basierte Modellierung auf der Makroskala die Simulation des mechanischen Verhaltens des gesamten Bauteils während des Prozesses. Die Trilogie der gekoppelten Modellierungsebenen wird auf allen drei Skalen durch angepasste experimentelle Untersuchungen gestützt. Laborexperimente zur Prozesssimulation und aufwändige Elektronenmikroskopie werden kombiniert, um eine quantitative Gefügeanalyse und eine detaillierte Identifikation der Umwandlungskinetik zu realisieren. Somit sind auf allen Skalen die Identifikation der relevanten Modellparameter sowie die Validierung der Simulationsergebnisse gewährleistet, und es können theoriegestützte Hinweise zur Weiterentwicklung von Experiment und Prozessführung gegeben werden. Das primäre Ziel des Vorhabens ist ein vertieftes, skalenübergreifendes Verständnis der bainitischen Umwandlung unter dem Einfluss äußerer Spannungen. Ein Schwerpunkt wird dabei auf der Rolle der Legierungselemente (C, Si, Cr), dem Einfluss plastischer Effekte auf die Grenzflächenkinetik und Ausscheidungsbildung, sowie der Ankopplung an thermodynamisch konsistente Modelle liegen.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
