Abschreck- und Umformdilatometer
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen der Forschungsarbeiten, in denen das Abschreck-/Umformdilatometer zum Einsatz kam, steht die Ermittlung der erforderlichen Werkstoffparameter für die Simulationen im Vordergrund. Im DFG Projekt zur Simulation des heißisostatischen Pressen (HIP) wurde mit Hilfe des Umformdilatometers das mechanische Verhalten des Stahls X2CrNiMo17-12-2 bei hohen Temperaturen erforscht. Hierbei wurden sowohl die Werkstoffparameter des dichten Materials als auch die des porösen Materials ermittelt. Im Fokus standen das plastische Werkstoffverhalten und die Entwicklung der Querkontraktionszahl mit der Verdichtung des Werkstoffes. Diese beiden Werkstoffparameter sind die entscheidenden Eingangsgrößen für die realitätsnahe Simulation der Form- und Maßänderung eines Bauteils, das durch HIP hergestellt wird. Im Rahmen der Vorarbeiten für den DFG-Antrag „Mechanismenbasierte Modellierung von Anlassphänomenen bei Stählen“ kamen sowohl das Abschreck- als auch das Umformmodul des Dilatometers zum Einsatz. Die Modellierungsansätze für die Simulation des Härtens und Anlassens des Stahls benötigen mehrere Werkstoffparameter, die nur mit einem Abschreck-/Umformdilatometer bestimmt werden können. Hierbei wurden in Rahmen dieser Vorarbeiten für unterschiedliche Werkzeugstähle diese Werkstoffparameter ermittelt. Die erforderlichen Werkstoffparameter für die Wärmebehandlungssimulation von Stählen lassen sich in sechs Gruppen einordnen: 1. thermophysikalische Eigenschaften 2. thermisches Ausdehnungsverhalten 3. umwandlungsbedingte Volumenänderung während der Wärmebehandlung 4. Phasenumwandlungskinetik 5. plastisch-viskoplastisches Werkstoffverhalten 6. Umwandlungsplastizität Das thermische Ausdehnungsverhalten der Phasen und die mit den Phasenumwandlungen verbundenen Änderungen des spezifischen Volumens sind die wichtigsten Faktoren, die sowohl die Maßänderungen als auch die innere Spannungsentwicklung während der Wärmebehandlung bestimmen. Mit dem Abschreckmodus des Dilatometers konnten komplette Wärmebehandlungszyklen (Härten und anschließendes Anlassen) mit unterschiedlichen Abschreckgeschwindigkeiten durchgeführt werden. Somit konnten sowohl die Umwandlungskinetik als auch die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der jeweiligen Phasen und damit verbundene Volumenänderungen während des Härtens und Anlassens bestimmt werden. Eine weitere wichtige Einflussgröße, die die Vorhersagegüte der Wärmebehandlungssimulation bestimmt, ist die plastische Verformung während der Wärmebehandlung. Zur präzisen Beschreibung des plastischen Werkstoffverhaltens während der Wärmebehandlung des Stahls müssen verschiedene Arten der plastischen Verformungen im Simulationsmodell betrachtet werden. Die Eigenspannungen und der Verzug nach dem Härten hängen insbesondere von der klassischen Plastizität ab. Beim schnellen Abschrecken können die Thermospannungen die Streckgrenze des Werkstoffs überschreiten. Deshalb wurden Druckversuche durchgeführt, um Temperatur- und Phasenanhängigkeit der Streckgrenze und des Verfestigungsverhaltens zu bestimmen. Neben der klassischen Plastizität müssen vor allem während der Austenitisierung und des Anlassens die zeitabhängigen Verformungsmechanismen betrachtet werden. Darum wurden unter konstanter Kraft Kriechversuche durchgeführt und die Ergebnisse mit einem viskoplastischen Modell in der Wärmebehandlungssimulation implementiert. Bei der Wärmebehandlung des Stahls kam eine weitere plastische Verformung hinzu, die während der Umwandlung des Gefüges auftritt, nämlich Umwandlungsplastizität. Die ersten Simulationsergebnisse weisen darauf hin, dass die berechneten Eigenspannungen nach dem Härten eines Werkzeugstahls stark von der Umwandlungsplastizität abhängen. Somit wurden die Proben während des Abschreckens von der Austenitisierungstemperatur im Dilatometer mit unterschiedlichen Zug-/Druckspannungen beaufschlagt. Die gemessenen Maßänderungen wurden mit den Proben ohne äußere Belastung verglichen und mit geeigneten mathematischen Modellen in der Simulation implementiert. Im Rahmen des Projekts Optimierung der Abkühlkurven beim sintern von Hartmetallen werden die mechanischen Hochtemperatureigenschaften von Hartmetallen untersucht. Die ermittelten Fließ und Kriechkurven dienen als Ausgangsgrößen zur Beschreibung des viskoplastischen Werkstoffverhaltens in homogenen Simulationsmodellen zur Eigenspannungsvorhersage beim Abkühlen von Sintertemperatur. Das Umformdilatometer stellt sich bei der Ermittlung der Werkstoffparameter durch die hohe Auflösung des Umformweges und die Möglichkeit unter Schutzgas schnell hohe Temperaturen anzufahren als wertvolles Werkzeug, zur Ermittlung von Werkstoffdaten, an Oxidationsgefährdeten Proben heraus. Des Weiteren werden die Versuchszeiten durch die Induktive Beheizung der Probe verkürzt. Durch die Lokale Aufheizung der Proben werden die Messungen nicht durch Kriechen oder Plastizität der Maschinenteile verfälscht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Simulation of deformation and residual stress evolution during quenching and tempering of tool steel. Tagungsband zur 3rd International Conference on Distortion Engineering , September 2011, Bremen, Deutschland
Eser, A.; Bezold, A.; Broeckmann, C.; Simsir, C.
- Simulation of the deformation and residual stress evolution during tempering of a hot work tool steel. Tagungsband zur 3rd International IFHTSE Conf. on “Heat Treatment and Surface Engineering of Tools and Dies”, März 2011, Wels, Österreich
Eser, A.; Bezold, A.; Broeckmann, C.; Bambauer, K.; Theisen, W.; Simsir, C.
- Tempering of Tool Steels - A Multiscale Simulation. Tagungsband zur 9th International Conference Tooling Conference. September 2012 Leoben, Österreich
Eser, A.; Bezold A.; Broeckmann, C.; Simsir, C.; Kozeschnik E.
- Simulation of Hardening and Tempering of Tool Steels. Tagungsband zur Simulationsforum 2013 -Schweissen und Wärmebehandlung, Oktober 2013, Weimar, Deutschland
Eser, A., Bezold, A., Simsir, C., Broeckmann, C.
