Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Simulation der Mikrostrukturvergröberung in der Nickellegierung IN718. Ihre vorteilhaften mechanischen Eigenschaften erhält die Legierung zu einem großen Teil durch die Ausscheidung der tetragonalen intermetallischen γ″-Phase. Zur physikalischen Beschreibung der Mikrostrukturentwicklung wird die neuartige anisotrope Sharp Phase-Field Methode (SPFM) für translationsinvariante Grenzflächen verwendet, welche den Rechenaufwand um mehr als zwei Größenordnungen vermindert. Neben der Grenzflächenenergie geht auch die elastische Energie durch die Gitterfehlpassung zwischen Ausscheidung und Matrix in das Modell ein. In tetragonaler Richtung ist die Fehlpassung um etwa einen Faktor 25 größer als in den beiden anderen Gitterrichtungen. Außerdem wird die phasenabhängige anisotrope Elastizität berücksichtigt.
Bei einem realistischen γ″-Volumenanteil spielen elastische Wechselwirkungen zwischen den Ausscheidungen eine entscheidende Rolle. In Simulationsstudien konnte gezeigt werden, dass das Aspektverhältnis der Ausscheidungen mit zunehmendem Phasenanteil steigt, und, dass gleichzeitig die Rundheit der Ausscheidungsformen abnimmt. Es wurde außerdem erstmalig gezeigt, dass die experimentell beobachtete schräge Anordnung der Ausscheidungen, die energetisch günstigste regelmäßige Anordnung von γ″-Ausscheidungen ist. Durch konsistente Anpassung der Grenzflächenenergiedichte an die experimentell beobachteten Ausscheidungsformen und an die Reifungskinetik, kann diese präzise bestimmt werden. Mit dem 3D Phasenfeldmodell kann die zeitabhängige Vergröberung der Mikrostruktur durch Ostwaldreifung quantitativ vorhergesagt werden. Die Temperaturabhängigkeit der Reifungskinetik und die Morphologie der Mikrostruktur werden korrekt vorhergesagt.
Aktualisiert: 2022-02-03
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Für maßgeschneiderte Bauteile mit definierten Eigenschaften ist ein detailliertes Verständnis der Mikrostrukturentwicklung notwendig. Im ersten Teil wird die Mikrostrukturentwicklung bei der ternären eutektischen gerichteten Erstarrung mit einem optimierten Phasenfeldlöser im massiv-parallelen waLBerla-Framework untersucht. Im zweiten Teil wird die Mikrostrukturentwicklung unter dem Einfluss von Poren an Korngrenzen während des Endstadiums des Sinterprozesses mit dem PACE3D-Löser analysiert. The development of tailored materials with defined properties requires a deep understanding of the microstructure evolution. In the first part, the microstructure evolution during the directional solidification of ternary eutectics with a highly optimized phase-field solver in the waLBerla-framework is studied. In the second part, the microstructure evolution under the influence of pores at the grain boundaries in the final sintering stage is analyzed with the PACE3D solver.
Aktualisiert: 2021-02-11
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Die Werkstoffgruppe der Stähle ist heutzutage einer der wichtigsten Werkstoffe für die technische Weiterentwicklung in vielen Bereichen. Moderne Flugzeuge wie der Airbus A 380 oder die Ozeanriesen der Triple-E Baureihe der Maersk Reederei benötigen höchstzuverlässige Werkstoffe mit auf die jeweilige Anwendung optimal abgestimmten Eigenschaften. Ein wichtiges Kriterium für die Zuverlässigkeit ist der Reinheitsgrad. Inhomogenitäten und Mehrphasigkeit im Stahl sind für seine Festigkeit unerlässlich. Allerdings können sie in der Überbeanspruchung Risse oder sogar Brüche hervorrufen. Solche Inhomogenitäten von Legierungselementen treten aufgrund der unterschiedlichen Löslichkeiten in der Schmelze sowie den kristallinen Phasen zwangsläufig während der Erstarrung auf. Die Kenntnis dieser sogenannten Mikroseigerungsverteilung kann im weiteren Prozessverlauf durch beispielsweise Homogenisierungsglühen zur Beseitigung solcher Inhomogenitäten genutzt werden. Für die Verteilung und Stärke der Mikroseigerung spielen unter anderem die Grenzflächenenergie, die zumeist unbekannt ist, und die Unterkühlung der Schmelze eine entscheidende Rolle. Der Einfluss unterscheidet sich dabei deutlich je nach gewählter Legierung.
Einen ebenfalls großen Einfluss auf das Erstarrungsgefüge hat die Strömung. Aufgrund der Volumenunterschiede zwischen fester und flüssiger Phase entsteht im Verlauf des Erstarrungsprozesses zwangsläufig eine Strömung, deren Berücksichtigung in Bezug auf die Seigerung und die Morphologie eine wichtige Rolle spielt. Es zeigt sich, dass insbesondere die der Strömung abgewandte Seite (Schattenseite) durch die starken Anreicherungen einen großen Wachstumsnachteil erfährt. Dadurch wird die Symmetrie des Systems gebrochen.
Aktualisiert: 2019-12-12
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