Chemomechanische Modellierung der Wärmebehandlung von Stählen mit der Phasenfeldmethode

Die Entwicklung hochfester Stähle kann mithilfe numerischer Verfahren beschleunigt werden.
Insbesondere die Phasenfeldmethode hat sich als mächtiges Werkzeug etabliert, um die Mikrostrukturentwicklung auf mesoskopischer Längenskala zu beschreiben. In der vorliegenden Arbeit werden Multiphasenfeldmodelle vorgestellt, um die Gefügeentwicklung während der Wärmebehandlung von Stahl numerisch abzubilden, was im weiteren Verlauf Rückschlüsse auf das Materialverhalten unter mechanischer Belastung ermöglicht.
Dabei stehen die Phasenumwandlungen im Fokus, bei denen elastische treibende Kräfte maßgeblich zur Mikrostrukturentwicklung beitragen. ... mehrAls ein wesentlicher Teil dessen wird ein neues Multiphasenfelmodell zu Simulation der martensitischen Umwandlung entwickelt, das elastische treibende Kräfte verwendet, die auf den mechanischen Sprungbedingungen basieren. Die beim Abschrecken einer ferritischen-austenitischen Mikrostruktur auftretende martensitische Umwandlung wird mithilfe elastischer und elastoplastischer Simulationen untersucht und der resultierende Materialzustand analysiert. Es werden Methoden vorgestellt, um die Energielandschaft zu quantifizieren, die sich nach dem Wachstum einer bainitischen Untereinheit ausbildet, um Aussagen über das Nukleationsverhalten nachfolgender Untereinheiten zu treffen. Zudem wird ein Modell für das Wachstum von Widmanstätten-Ferrit vorgestellt, bei dem die nadelartige Struktur ein Resultat anisotroper Eigendehnungen darstellt.
Es wird festgestellt, dass zwei Widmanstätten-Nadeln, die in einem gewissen Abstand zueinander wachsen, über das Spannungsfeld interagieren, wodurch die Morphologie beeinflusst wird. Darüber hinaus wird am Beispiel der Wärmebehandlung von Dualphasenstahl eine digitale Prozesskette aufgebaut, die es ermöglicht, die Auswirkungen einzelner Prozessparameter auf nachfolgende Prozessschritte zu berücksichtigen.

The development of high-strength steels can be accelerated using numerical methods.
In particular, the phase-field method has emerged as a powerful tool to describe the microstructure evolution on the mesoscopic length scale. In the present work, multiphase-field models are presented to numerically display the morphological evolution during the heat treatment of steel, which, in the further course, allows conclusions to be drawn about the material behavior under mechanical load. The focus of the current work is on phase transformations, in which elastic driving forces contribute significantly to the microstructural changes.
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As an essential part of this, a new multiphase-field model is developed to simulate the martensitic phase transformation, using an elastic driving force based on the mechanical jump conditions. The martensitic transformation, occurring during quenching of a ferritic-austenitic microstructure, is investigated by means of elastic and elastoplastic simulations, and the resulting material state is analyzed. Methods are presented to quantify the energy landscape that develops after the growth of a bainitic subunit, in order to assess the nucleation behavior of subsequent subunits. In addition, a model for the growth of Widmanstätten ferrite is presented, in which the needle-like structure is a result of anisotropic eigenstrains. It is found that two Widmanstätten needles, growing at a certain distance from each other, interact via the stress field, which influences the morphology.
In addition, a digital process chain is set up, using the heat treatment of dual-phase steel as an example, which makes it possible to consider the effects of individual process parameters on subsequent process steps.