Mikroeigenspannungen in Hartmetall

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Broeckmann
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 313772342

Am Beispiel von Wolframkarbid-Kobalt-Hartmetallen wird ein Finite-Elemente-Modell zur präzisen Vorhersage von Eigenspannungen zweiter Art in flüssigphasengesinterten, heterogenen Metallmatrix Verbundwerkstoffen erstellt. Basierend auf einer temperaturabhängigen, kristall-(visko)-plastischen konstitutiven Beschreibung des Kobalt-Bindermetalls, einer thermoelastisch orthotropen konstitutiven Formulierung der Wolframkarbid Hartphase sowie der Berücksichtigung von Volumenänderungen der Phasen in Folge von Wiederausscheidungsprozessen von Wolframkarbid aus dem Binder, werden folgende Ziele verfolgt: 1. Die genaue und präzise Vorhersage der Eigenspannungen und des Verlaufs der inneren Spannungen in Abhängigkeit der zeitlichen Temperaturführung beim Abkühlen von Sintertemperatur und den realen mikrostrukturellen Eigenschaften des Hartmetalls. 2. Eine qualitative Untersuchung des Einflusses der Wiederausscheidung von Wolframkarbid aus der Binderphase auf die Eigenspannungen, während der Abkühlung nach dem Flüssigphasensintern. 3. Eine statistische Absicherung der Simulationsergebnisse durch Betrachtung mehrerer, mittels Focussed-Ion-Beam (FIB) und Elektronen-Rückstreudiffraktometrie (engl. EBSD) erstellter, realer, mesoskopischer 3D Gefügemodelle. 4. Verifikation des Modells durch Eigenspannungsmessungen an Hartmetallproben mit variierender Abkühlhistorie. 5. Identifikation einer Kombination aus Gefügeeigenschaften und Temperaturführung, die zu einem Zustand minimaler Eigenspannungen führen. Zur Erreichung der aufgeführten Ziele werden die vorgeschlagenen konstitutiven Beschreibungen mittels nutzerdefinierten Unterprogrammen in die Finite-Elemente-Software Abaqus implementiert. Die Parameter für die kristallplastische Beschreibung werden durch temperaturabhängige mechanische Untersuchung einer Kobalt-Modellbinderlegierung ermittelt. Die Ableitung der 3D Gefügemodelle aus den EBSD Daten unter Berücksichtigung der Kristallorientierung und Identifikation der Grenzberieche zwischen Binder und Karbiden erfolgt durch eine eigens entwickelte Software. Durch eine Vielzahl von Rechenstudien, deren Randbedingungen sich an realen Prozessparametern orientieren, werden die Eigenspannungen vorhergesagt und die Haupteinflussfaktoren zur Prozessoptimierung abgeleitet. Die Verifikation soll durch Eigenspannungsmessungen an Hartmetallen mit unterschiedlicher Fertigungshistorie durch Röntgen- und Neutronenbeugung erfolgen. Neben der gesteigerten Vorhersagegenauigkeit wird ein besseres Verständnis der eigenspannungsbeeinflussenden Mechanismen erwartet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen