Multi-Scale simulation of heat treatment of hot-work tool steels

 

Ziel dieses Projekts ist eine realistische Vorhersage der Evolution der Mikrostruktur, Restspannungen und Verzerrungen während des gesamten Wärmebehandlungszyklus einschließlich Temperierung mittels FE-Modellierung und Simulation.

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Ali Rajaei

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+49 241 80 99544

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  Schematik der eingesetzten ICME-Methodik Urheberrecht: ICMEaix Schematik der eingesetzten ICME-Methodik

Die steigende Nachfrage nach Energie und Materialeffizienz hat die Konzepte der Leichtbauweise in die Automobilindustrie eingeführt. Die Motivation, das Gewicht durch den Austausch von Stahl mit großen Aluminium-Druckguss-Bauteilen zu reduzieren, fordert die Werkzeugbauer heraus, die Leistungsfähigkeit ihrer Druckgussformen zu optimieren. Große Abmessungen erfordern höhere Gießtemperaturen, so dass während des Betriebes höhere thermische Belastungen auftreten. Außerdem wird die Festigkeits- und Kriechfestigkeit des Werkzeugstahls bei den Betriebstemperaturen abgesenkt, was zu einem vorzeitigen Ausfall der Gießform führt. So müssen die Trends bei den Betriebsbedingungen bei der Konzeption, Konstruktion und Fertigung berücksichtigt werden, einschließlich der Wärmebehandlung, die einen wesentlichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften und die Funktionalität der Form hat. Eine quantitative Beschreibung der Verzerrung und des Restspannungszustands nach der Wärmebehandlung ermöglicht es, die Nachbearbeitung zu verringern und die Lebensdauer des Bauteils vorherzusagen.

Es wurde ein ICME-Simulationsansatz entwickelt, um das Wärmebehandlungsergebnis hinsichtlich Verzerrung und Restspannungen quantitativ zu beschreiben. Die thermo-physikalische und mechanische Materialreaktion wird durch die Kopplung von thermodynamisch bedingten Präzipitations-Simulationen in MatCalc mit der Finite-Elemente-Methode FEM in Abaqus betrachtet. Es wurde ein umfangreicher FORTRAN-Code programmiert, der mehrere Submodelle miteinander verknüpft, einschließlich der Auswirkungen von interagierenden physikalischen Ereignissen auf der Mikro- und Makroskopie. Phasenumwandlungen werden basierend auf kontinuierlichen Zeit-Temperatur-Transformation-CCT-Diagrammen modelliert. Festigkeit, Dehnungshärtung und weitere thermo-physikalische Eigenschaften werden nach Temperatur- und Mikrostrukturänderungen modelliert. Präzifizierungssimulationen werden in MatCalc für unterschiedliche Temperiertemperaturen durchgeführt und liefern entscheidende Parameter, um die Spannungsrelaxation während des Temperierens zu simulieren. Schließlich wird der komplette Prozess nach der Einstellung von thermischen (Wärmeübertragung) und mechanischen Randbedingungen in Abaqus simuliert. Die endgültige Ausgabe der Simulation umfasst platzaufgelöste Mikrostruktur, Streckgrenze, Rückstandsspannung und Formänderung (Verzerrung) der Form.

 

Projektpartner

Organisation Anschrift
Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau IWM,
RWTH Aachen
Augustinerbach 4,
52062 Aachen
Kind & Co Edelstahlwerk GmbH & Co. KG Bielsteiner Str. 24‑130,
51674 Wiehl‑Bielstein

 

Veröffentlichungen

  1. Eser, A.; Bezold, A.; Broeckmann, C.; Schruff, I.; Greeb, T. (2014): Tempering-Simulation of a thick-walled Workpiece made of X40CrMoV5-1 Steel. In: HTM 69 (3), S. 127–137. DOI: 10.3139/105.110225.
  2. Eser, A.; Broeckmann, C.; Simsir, C.: Multiscale modeling of tempering of AISI H13 hot-work-tool steel – Part 1: Prediction of microstruture evolution and coupling with mechanical properties; Computational Material Science; 113 (2015) S. 280-291
  3. Eser, A.; Broeckmann, C.; Simsir, C.: Multiscale modeling of tempering of AISI H13 hot-work-tool steel – Part 2: Coupling predicted mechanical properties with FEM simulations; Computational Material Science; 113 (2016) S. 292-300