Modellierung von Phasenumwandlungen während des Presshärtens (PressBain)

  PressBain Urheberrecht: IEHK

Durch Abschrecken von Austenit während des konventionellen Presshärtens entsteht eine martensitische Mikrostruktur. Eine Variante des Presshärtens ist das partielle Presshärten (PPH). Der Prozess des partiellen Presshärtens beinhaltet ein Vorwärmen der Werkzeuge in bestimmten Regionen, in welchen das Material bei Temperaturen oberhalb von Ms abgeschreckt wird. Infolgedessen bildet sich Bainit oder eine bainitische/martensitische Duplex-Mikrostruktur, welche sich durch eine verbesserte Verformbarkeit und erhöhte Härte des Werkstückes auszeichnet [Abd2015, Hüt2015].

Die Simulation der Phasenumwandlung während des PPH stellt aus zwei Gründen eine große Herausforderung dar. Erstens liegt eine starke Kopplung zwischen der mechanischen Last, der inneren Spannung, der chemischen Zusammensetzung und der Kinetik der Phasenumwandlung vor. Die bainitische Transformation ist von Natur aus durch eine große Gitterverszerrung charakterisiert. Dadurch ist eine hohe Eigenspannung des bainitischen Ferrits zu erwarten, die zu einer elastischen/elastoplastischen Verformung der Mikrostruktur führt. Der zweite Grund liegt darin, dass Bainit durch eine hierarchische Struktur mit verschiedenen Längenskalen gekennzeichnet ist [Hüt2015]. Mithilfe der Unterstützung des DFG-SPP173 Projektes, entwickelten wir Modelle, die die gekoppelten chemischen und thermo-mechanischen Prozesse unter verschiedenen Längenskalen beinhalten.

Die nichtlineare Elastizität jeder Phase wird anhand von Ab-Initio- und Phasenfeld-Kristall-Simulationen abgebildet, die vom Forschungsteam von Robert Spatscheck vom Forschungszentrum Jülich durchgeführt wurden. Auf der mesoskopischen Skala simulieren wir das Wachstum von bainitischen Untereinheiten und Scheiben mithilfe einer Multiphasenfeld-Methode (MPF), die mit Kristall-Plastizitäts-Modellen gekoppelt werden [Lin2017]. Die Aktivierung verschiedener Gleitsysteme sowohl im bainitschen Ferrit als auch im Austenit, sowie die Rotation lokaler Orientierungen können anhand des Kristall-Plastizität-Modells abgebildet werden. Auf der makroskopischen Skala wird die Verformung und Abkühlung des Werkstückes mithilfe des Finite-Elemente-Modells (FEM) simuliert. Hierbei wird die Phasenentwicklung an jedem Integrationspunkt durch den homogenisierten Output der mesoskalischen MPF-Modelle beschrieben [Sch2016]. Die FEM-Entwicklung und mechanische Hochtemperaturprüfungen von unterkühltem Austenit werden durch das Forschungsteam von Martin Hunkel vom IWT Bremen unterstützt.

[Lin2017] M. Lin, U. Prahl, A parallelized model for coupled phase field and crystal plasticity simulation, Computer Methods in Materials Science

[Hüt2015] C. Hüter, M. Lin, D. Schicchi, M. Hunkel, U. Prahl, R. Spatschek, A multiscale perspective on the kinetics of solid state transformations with application to bainite formation, AIMS Materials Science 2, 319 (2015).

[Sch2016] D.S. Schicchi, M. Lin, U. Prahl, M. Hunkel, A combined finite element - phase field model approach on the bainitic transformation, Proc. Europ. Conf. Heat Treatment 2016 on CD (2016).

[Abd2015] Abdollahpoor A, Chen X, Pereira MP, Xiao N, Rolfe BF. Journal of Materials Processing Technology 2015.