Dilatometer mit Abschreck- und Deformationsfunktion
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Innerhalb des Graduiertenkollegs 1483 „Prozessketten in der Fertigung: Wechselwirkung Modellbildung und Bewertung von Prozesszonen“ und im „Center of Computational materials Science and Engineering“ (CCMSE) wurden mit dem Dilatometer Eingabedaten für Werkstoffmodelle, die in der Wärmebehandlungssimulation genutzt werden, bestimmt. Daraus konnten unter anderem für 20MnCr5 in verschieden Aufkohlzuständen Zeit-Temperatur-Umwandlungs- (ZTU) Schaubilder für die Simulation des Einsatzhärtens abgeleitet werden. Für den Werkstoff 42CrMo4 wurden neben den ZTU-Schaubildern auch Zeit-Temperatur-Austenitisierungs- (ZTA) Schaubilder für die Simulation des induktiven Randschichthärtens erstellt. Mit Hilfe der Umformeinheit wurden im Rahmen des Graduiertenkollegs auch die Umwandlungsplastiztätskonstanten bei der Ferrit-Austenit- und der Austenit-Martensit-Umwandlung für diese beiden Werkstoffe und deren Zustände untersucht. Hierfür war es teilweise auch erforderlich, Kriechkurven zu bestimmen, um das zeitabhängige Deformationsverhalten herausfiltern zu können. Die erforderlichen Versuche wurde ebenfalls auf mit Hilfe des Abschreckdilatometers und der Umformeinheit durchgeführt. Zur Beschreibung der temperatur- und zustandsabhängigen Fließkurven, auch von metastabilen Zuständen, konnte die Umformeinheit ebenso genutzt werden. Im Rahmen des DFG-Projekts „Prozesssimulation der Herstellung einsatzgehärteter pulvermetallurgischer Zahnräder“ (Schu 1010/22) wurden mit unterschiedlichen Kohlenstoffanteilen versetzte und unterschiedlich verdichtete Zustände des pulvermetallurgischen Werkstoffes Astaloy 85 Mo untersucht. Ziel war es, die Daten für die Wärmebehandlungssimulation kohlenstoff- und porositätsabhängig zu bestimmen. Auf der pulvermetallurgischen Herstellungsroute sind große und komplex geformte Probengeometrien nicht mit homogener Porosität herstellbar. Hierbei zeigt sich das Abschreckdilatometer für die Bestimmung der teilweise auch an metastabilen Zuständen zu ermittelnden Daten ebenfalls als geeignetes Gerät, da hier relativ kleine zylindrische Probengeometrien (Durchmesser 4 mm, Länge 10 mm) verwendet werden konnten. Für die Ermittlung der Daten für die ZTU-Schaubilder waren hohe Abkühlgeschwindigkeiten aufgrund der raschen Ferrit-Umwandlung für die Zustände mit geringem Kohlstoffgehalt erforderlich. Hierfür wurden Proben mit geringer Wandstärke (< 1 mm) verwendet. In diesem Projekt war es ebenfalls erforderlich, die temperaturabhängigen Fließkurven und die Umwandlungsplastizitätskonstante für die verschieden Zustände zu bestimmen. Im Rahmen des Hochschulinstitute Neckarsulm (HIN)-Projekts „Untersuchung der Wärmebehandlung von Aluminium-Druckgusslegierungen zur Optimierung der Bauteileigenschaften von Karosseriekomponenten“ und im Teilprojekt A3 „Werkstoffsysteme für verstärkte und funktionsintegrierte Verbundstrangpressprofile“ des Transregio TR10 wurde die Lösungsglüh- und Ausscheidungskinetik an verschiedenen Aluminiumguss- und –knetlegierungen untersucht. Hierbei wurden zwei Strategien mit Hilfe des Abschreckdilatometers verfolgt. Zum einen wurde die Längenänderung während der Lösungsglüh- und der Ausscheidungsbehandlung gemessen. Hiermit war es möglich, die Lösungsglüh- und Ausscheidungskinetik in situ zu untersuchen. Zum anderen wurden mit dem Abschreckdilatometer definierte Lösungsglüh- und Ausscheidungsbehandlungen durchgeführt, um anschließend Proben sowohl metallographisch zu untersuchen, als auch um die Härte nach der Behandlung zu bestimmen. Mit den bestimmten Ergebnissen konnten Zeit-Temperatur-Ausscheidungs-Diagramme ermittelt werden. Mit dem zusätzlichen Erkenntnisgewinn bei der Lösungsglüh- und Ausscheidungskinetik war es zudem möglich, neue Wärmebehandlungsstrategien, wie eine zweistufige Lösungsglüh- und/oder Ausscheidungsbehandlung, abzuleiten. Mit Hilfe des Abschreckdilatometers konnten im Rahmen des DFG-Projektes „Auswirkungen der Prozessparameter auf Eigenspannungen und innere Lastübertragung in Metallmatrix-Verbundwerkstoffen“ (Ro 4164/1-1) umfangreiche Messungen des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von interpenetrierenden Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen durchgeführt werden. Die Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den beteiligten Komponenten führen zu thermisch bedingten Eigenspannungen, die im Rahmen des Projektes mit Hilfe von hochauflösender Synchrotronstrahlung in mehreren Messkampagnen charakterisiert wurden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Experimental Determination of Process Parameters and Material Data for Numerical Modeling of Induction. Journal of Materials Engineering and Performance, Vol. 22, Number 7, pp: 1861- 1870
Schwenk, M.; Hoffmeister, J.; Schulze, V.
- Nummerische Modellierung der induktiven Ein- und Zweifrequenzrandschichthärtung KIT Scientific Publishing, ISBN 3866449291, 9783866449299
Schwenk, M.
- Data acquisition for numerical modelling of induction surface hardening – process specific considerations. Proceedings of 26th ASM Heat Treating Society Conference, Cincinnati, 31. Oct. - 2. Nov. 2011, 26(1), pp:167–76
Schwenk, M.; Strauss, T.; Hoffmeister, J.; Schulze, V.
- Effect of phase architecture on thermal expansion behavior of interpenetrating metal/ceramic composites. Ceramic Transactions 240 [6], 33, 2011
Roy, S.; Albrecht, Przybilla, L.; Weidenmann, K.A.; Heilmaier, M.; Wanner, A.
- Austenite-Bainite transformation kinetic model for the powder-metallurgical steel Astaloy 85 Mo. Materials Science Forum Vols.; 706-709 (2012):1485-1490
Nusskern, P.; Hoffmeister, J.; Schulze, V.
- Case hardening simulation of surface compacted, graded porous Astaloy 85 Mo components, Proceedings from the 6th International Quenching and Control of Distortion Conference, (2012), 755-766
Nusskern ,P.; Hoffmeister, J.; Schulze, V.
- Residual Stress Prediction for Dual Frequency Induction Hardening considering Transformation Plasticity during Austenitization. Proceedings from the 6th International Quenching and Control of Distortion Conference, Chicago, Illinois (2012), S. 45–56
Schwenk, M.; Kaufmann, B. ; Hoffmeister, J. ; Schulze, V
- Simulation des Einsatzhärtens gradiert poröser Bauteile: Materialmodellierung. HTM J. Heat Treatment Mat. 68, (2013) 6, 1-9
Nusskern, P.; Hoffmeister, J.; Schulze, V.
- Thermal expansion behavior of an interpenetrating metal/ceramic composite In: A. Wanner, K. A. Weidenmann (Hrsg.), Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde 2013 Proceedings, ISBN 978-3-00-042309-3, 385-393, 2013
Roy, S.; Kessler, F.; Weidenmann, K.A.; Wanner, A.; Nagel, A.
