Numerische Untersuchung von mechanischen und thermischen Eigenschaften von Gusseisen mit Lamellengraphit

Gusseisen ist ein Werkstoff, der seit langem und in großem Umfang eingesetzt wird. In Deutschland liegt sein jährliches Produktionsvolumen bei mehreren Millionen Tonnen. Das Mikrogefüge von Gusseisen besteht aus einer metallischen Matrix mit Graphiteinschlüssen. In dieser Arbeit wird Gusseisen mit Lamellengraphit untersucht. Gusseisen mit Lamellengraphit wird in sehr sicherheitskritischen Bereichen wie beispielsweise Bremsscheiben oder thermo-mechanisch hochbelasteten Anwendungen wie Zylinderköpfen eingesetzt. Seine makroskopischen Werkstoffeigenschaften sind stark von der vorhandenen Mikrostruktur abhängig. ... mehrDer quantitative Zusammenhang zwischen den Werkstoffeigenschaften und dem Gefüge ist oft nicht bekannt. Um in Zukunft bessere numerische Vorhersagen zu ermöglichen, werden makroskopische mikrostrukturbasierte thermische und mechanische Materialeigenschaften für einen großen Temperaturbereich berechnet. Die spezifischen mechanischen Eigenschaften von Gusseisen mit Lamellengraphit in Zug und Druck werden berücksichtigt. Die notwendigen Simulationsgebiete werden algorithmisch auf Basis von Wahrscheinlichkeitsverteilungen nach DIN EN ISO 945-1 generiert. Weiterführend wird ein Phasenfeldrissmodell eingeführt, das die Simulation von Rissentstehung und -ausbreitung in Verbundwerkstoffen mit spröd-anisotropen und duktilen Komponenten in Anlehnung an Gusseisen mit Lamellengraphit ermöglicht. Als Vorarbeit für das Rissmodell wird ein Homogenisierungsansatz für den Mehrphasenfeldkontext eingeführt, der es erlaubt, die elastoplastischen Verzerrungen in mehrphasigen Übergangsbereichen, unter Beachtung der mechanischen Sprungbedingungen, zu berechnen. Ein solches Modell ist für Gusseisen wichtig, um das Auftreten von plastischen Verformungen in Graphitpartikeln zu vermeiden.

Cast iron is a material that has been used for a long time and on a large scale. In Germany, its annual production capacity is several million tonnes. The microstructure of cast iron consists of a metallic matrix with graphite inclusions. In this work, cast iron with lamellar graphite is investigated. Cast iron with lamellar graphite is used in very safety-critical areas such as brake discs or thermomechanically highly stressed applications such as cylinder heads. Its macroscopic characteristics are strongly dependent on the existing microstructure. The quantitative correlation between the material properties and the microstructure is often not known. ... mehrTo enable better numerical predictions in the future, macroscopic microstructure-based thermal and mechanical material properties are calculated for a wide temperature range. The specific mechanical properties of cast iron with lamellar graphite in tension and compression are taken into account. The required simulation domains are generated algorithmically on the basis of probability distributions according to DIN EN ISO 945-1. Further, a phase-field crack model is introduced that allows the simulation of crack initiation and propagation in composites with brittle-anisotropic and ductile components, following cast iron with lamellar graphite. As a preliminary work for the crack model, a homogenisation approach for the multiphase field context is introduced, which allows to calculate elastoplastic strains in multiphase regions, considering the mechanical jump conditions. Such a model is important for cast iron to avoid the occurrence of plastic deformation in graphite particles.