Werkstoffsimulation

Die Werkstoff- und Bauteileigenschaften werden geprägt durch seine Mikrostruktur und dessen Fehler. Man ist daher bestrebt diese möglichst gut vorherzusagen. Einen ersten Eindruck bzgl. der Mikrostruktur in Abhängigkeit der Zusammensetzung erhält man bspw. durch das Studium von Phasendiagrammen in Büchern. Thermodynamische Methoden ermöglichen es, Vorhersagen in komplexen Mehrkomponenten- und Mehrphasensystemen zu treffen. Wird diese Methode um kinetische Vorgänge wie Keimbildung, Diffusion und Dendritenarmvergröberung erweitert, erhält man eine Aussage über zeitabhängige Phasenbestandteile und -zusammensetzungen. Ein darüber hinausgehender Ansatz berücksichtigt Grenzflächeneffekte und ermöglicht die Simulation der Mikrostrukturentwicklung. Übergeordnetes Ziel all dieser Entwicklungen ist die Vorhersage der Werkstoffeigenschaften und die inverse Definition von Schmelzezusammensetzung und Prozess in der virtuellen Werkstoffentwicklung.

Thermodynamische Methoden

Thermodynamische Datenbanken basieren auf physikalischen Modellen, die Extrapolationen in „unbekannte Gebiete“ erlauben. Eine thermodynamische Datenbank nach unserem Verständnis ist eine Sammlung von Polynomen, die die Gibbsenergien einzelner Phasen eines Systems als Funktion der Temperatur, (des Drucks) und der Zusammensetzung beschreiben. Thermodynamische Methoden erlauben die Bestimmung von Phasenanteilen, von Phasenübergängen und von thermodynamischen Daten sowie die Vorhersage von Ausscheidungstemperaturen und das Abschätzen des Erstarrungsverhaltens. Die Bilder zeigen das Eisen-Kohlenstoff Diagramm, quasi-binäre Schnitte mit Si und Cr sowie die eutektische Temperatur für das stabile und metastabile System als Funktion des Si-Gehalts.

Thermodynamisch-kinetisches Modell

MicroPhase ist ein thermodynamisch gekoppeltes Mikroseigerungsmodell für Mehrkomponenten- und Mehrphasensysteme, mit dem die zeitliche Entwicklung charakteristischer Mikrostrukturgrößen, wie Dendritenarmabstände und Phasenanteile sowie thermophysikalische Eigenschaften während der Erstarrung vorhergesagt werden können. Das Modell wurde mit dem Ziel entwickelt, rechenzeiteffiziente Vorhersagen für komplexe Werkstoffe zu generieren, um den Einfluss der Mikrostrukturentwicklung auf das Erstarrungsverhalten von Bauteilen abzubilden. Das nachfolgende Bild zeigt das simulierte Mikroseigerungsprofil entlang des Radius einer eutektischen Korns während der Erstarrung von mischkristallverfestigtem Gusseisen mit Kugelgraphit mit geringen Gehalten an Nb und Mo.

Mikrostruktursimulation

In einem weiterführenden Ansatz ermöglicht der Einsatz von MICRESS, auch die zeitabhängige Entwicklung von Mikrostrkuturen zu berechnen, um beispielsweise den Einfluss von Legierungselementen auf die Ausbildung des Kugelgraphits in GJS zu bewerten. Das nachfolgende Bild zeigt eine simulierte Erstarrungssequenz von übereutektischem Gusseisen mit Kugelgraphit im Vergleich zu einem geätzten Gefügebild. Aufgrund der Graphitkugeln verarmt die Schmelze lokal an Kohlenstoff, was dazu führt, dass sich keine Austenitdendriten mehr ausbilden. Vielmehr wächst der Austenit unterkühlungsbedingt von Kugel zu Kugel. Diese Werkzeuge werden in Forschung und Entwicklung zum Beispiel zur virtuellen kombinierten Bauteil- und Werkstoffentwicklung vor der Durchführung von Experimenten oder begleitend zur traditionellen Werkstoffentwicklung eingesetzt.