A spur gear model showing phase fractions of austenite in blue and martensite in red.

Simulation metallurgischer Phasenumwandlungen mit dem Metal Processing Module

Phasenumwandlungen in mechanischen Komponenten

Wenn ein Material wie Stahl bei erhöhter Temperatur erwärmt oder abgekühlt wird, können metallurgische Phasenumwandlungen auftreten. Diese Transformationen erfolgen manchmal bewusst, im Rahmen der thermischen Bearbeitung eines mechanischen Bauteils, oder unbeabsichtigt, wie beim Schweißen. Die metallurgischen Phasen, die in einem Bauteil vorhanden sind, beeinflussen dessen mechanische und thermische Eigenschaften, und durch die Optimierung der Phasenzusammensetzung können Sie die Leistung eines Bauteils verbessern. Das Metal Processing Module, ein Add-on zur COMSOL Multiphysics® Software, kann zur Simulation metallurgischer Phasenumwandlungen in 3D-, 2D- und 2D-achsensymmetrischen Objekten verwendet werden.

Was Sie mit dem Metal Processing Module modellieren können

Das Metal Processing Module bietet einen umfassenden Satz von Werkzeugen zur Simulation von Fertigungsprozessen wie Stahlabschrecken, Schweißen und additiver Fertigung. Diese Werkzeuge sind in physikalischen Interfaces zusammengefasst, die automatisch die für den von Ihnen modellierten Fertigungsprozess spezifischen Gleichungen einrichten und lösen.

Stahlabschreckung

Das Stahlabschrecken ist ein Wärmebehandlungsverfahren, bei dem Stahlteile, die auf einen vollständig austenitischen Zustand erwärmt wurden, abgeschreckt werden. Da es sich um einen multiphysikalischen Prozess handelt, beinhaltet das Stahlabschrecken eine kombinierte Analyse aus Austenitzersetzung, Wärmetransport und Strukturmechanik. Mit dem multiphysikalischen Interface Steel Quenching im Metal Processing Module werden automatisch mehrere Features hinzugefügt, um den Modellaufbau zu erleichtern. Das Interface fordert Sie auf, Einstellungen für die Phasen Austenit, Ferrit, Perlit, Bainit und Martensit sowie die Phasenumwandlungen von Austenit zu den anderen vorzunehmen. Multiphysikalische Kopplungen werden ebenfalls eingerichtet, um die Auswirkungen von Latentwärme- und Phasenumwandlungsdehnungen zu berücksichtigen.

Darüber hinaus können die Materialeigenschaften für die Strukturanalyse temperaturabhängig sein und die plastische Dissipation kann als Wärmequelle in der Wärmetransportanalyse wirken. Nach Durchführung der Analyse können Sie die Phasenzusammensetzungen sowie den Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit auf die Verzerrungen und Eigenspannungen durch das Abschrecken eines Bauteils untersuchen. Mit diesen Ergebnissen gewinnen Sie Einblick in die Wirksamkeit eines bestimmten Abschreckmittels und wie sich die physikalische Geometrie einer Komponente auf die erreichbare Phasenzusammensetzung im Inneren auswirkt.

Ein Stirnradmodell mit einem Ausschnitt zur Darstellung des Inneren und der Eigenspannungen in rot. Stirnradgetriebe nach dem Abschrecken

Aufkohlung

Der Prozess der Aufkohlung beinhaltet das Erwärmen einer Stahlkomponente und das Aussetzen derselben gegenüber einer kohlenstoffreichen Umgebung, wie beispielsweise Kohlenmonoxid. Die Diffusion von Kohlenstoff aus der Umgebung in das Material erfolgt über die Oberfläche mittels eines zeitabhängigen Diffusionsprozesses. Die Flexibilität der Software macht es einfach, modellbezogene Wärmebehandlungsprozesse wie die Aufkohlung zu modellieren, bei denen Sie Ihre Daten des Phasenumwandlungsmodells ändern können, um vom berechneten Kohlenstoffgehalt abhängig zu sein. Durch die Durchführung von Aufkohlungsanalysen kann sichergestellt werden, dass der Prozess korrekt abläuft; die Aufkohlung mit anschließender Abschreckung kann Druckspannungen an der Oberfläche eines Bauteils erzeugen, was aus Sicht der Ermüdung vorteilhaft ist.
Die COMSOL Multiphysics Benutzeroberfläche zeigt bei Verwendung des Metal Processing Module die Einstellungen der Aufkohlungsstudie und ein Stahlzahnradmodell im Grafikfenster. Aufkohlungs- und Abschreckstudie an einem Stahlgetriebe

Transformationsinduzierte Plastizität (TRIP)

Im Allgemeinen treten Phasenumwandlungen auf, während das Material einer mechanischen Belastung ausgesetzt ist, was zu einer transformationsinduzierten Plastizität (TRIP) führt. Eine unelastische Verformung des Materials resultiert aus Spannungen, die unterhalb der Streckgrenze liegen und keinen plastischen Fluss im klassischen Sinne der Plastizität verursachen würden. Mit dem Metal Processing Module kann der TRIP-Effekt z.B. bei der Umwandlung von Austenit in Martensit analysiert werden.

Diffusive und displasive Phasenumwandlungen

Für diffusionsgesteuerte Phasenumwandlungen, z.B. bei der Zersetzung von Austenit in Ferrit, stehen zwei Arten von Phasenumwandlungsmodellen zur Verfügung: Leblond-Devaux und Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK). Für die Modellierung von displassiven (diffusionslosen) martensitischen Phasenumwandlungen steht das Koistinen-Marburger Modell zur Verfügung. Diese Phasenumwandlungsmodelle sind über das verallgemeinerte Metal Phase Transformation Interface verfügbar, mit dem Sie eine beliebige Anzahl von Phasen und Phasenumwandlungen definieren können.

Darüber hinaus können Sie auch eigene Phasenumwandlungsmodelle definieren und in einer Simulation verwenden, wofür eine experimentelle Kalibrierung erforderlich sein kann. Es ist auch möglich, gemeinsame Phasenumwandlungsdiagramme, wie beispielsweise Continuous Cooling Transformation (CCT) und Time Temperature Transformation (TTT) Diagramme, zu berechnen, um die Kalibrierung anhand experimenteller Daten zu erleichtern.

Ein 1D-Diagramm der Phasenanteile im Zeitverlauf mit separaten Linien für Austenit, Ferrit, Perlit, Bainit und Martensit. Phasenanteile im Zeitverlauf
Die COMSOL Multiphysics Benutzeroberfläche für das Metal Processing Module zeigt CCT- und TTT-Diagramme rechts neben dem Model Builder. CCT- und TTT-Diagramme in COMSOL Multiphysics

Strukturmechanische Analyse

Spannungen und Dehnungen werden aus den effektiven Materialeigenschaften des Verbundwerkstoffs berechnet, die im Allgemeinen temperatur- und phasenzusammensetzungabhängig sind. Das elastoplastische Verhalten des Verbundwerkstoffs wird über die einzelnen Phasen gemittelt. Für den Fall, dass eine Phase wesentlich härter ist als die anderen, kann ein nichtlineares Gewichtungsschema verwendet werden, um die effektive Anfangsstreckgrenze des Verbundwerkstoffs zu modellieren. Es gibt eine Option zur plastischen Regeneration, um sicherzustellen, dass die Phasen allmählich erscheinen und nicht durch eine vorherige plastische Beanspruchung belastet sind. Die Volumenbezugstemperatur und der thermische Ausdehnungskoeffizient werden verwendet, um einen thermischen Dehnungstensor in jeder Phase zu berechnen. Die thermischen Dehnungstensoren der Phasen werden zu einer thermischen Dehnung des Verbundwerkstoffs gemittelt. Für weiterführende Strukturanalysen kann das Metal Processing Module mit dem Structural Mechanics Module kombiniert werden.

Drei Modelle eines Stahlblocks, die den Martensitphasenanteil, die plastische Verformung und die Axialspannung zeigen. Statische Berechnung eines Stahlblocks nach 10 Minuten Abschrecken

Thermische Analyse

Das Metal Processing Module ist dafür ausgelegt, den Wärmetransport zu modellieren, indem es die vollständige Wärmegleichung in der Analyse verwendet. Darüber hinaus können die Wärmeleitfähigkeit, die Dichte und die spezifische Wärmekapazität temperaturabhängig und sogar abhängig von der aktuellen Phasenzusammensetzung sein. So unterscheidet sich beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit von Austenit von der von Ferrit, und mit der Entwicklung der Phasenanteile wird auch die Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs steigen. Für weiterführende Wärmetransportanalysen kann das Metal Processing Module mit dem Heat Transfer Module kombiniert werden.

Induktives Härten

Wenn Sie das AC/DC Module hinzufügen, können Sie Induktionshärtesimulationen durchführen, bei denen Sie das berechnete Temperaturfeld aus einer Induktionserwärmungssimulation als Input für eine Abschrecksimulation verwenden.

Jedes Geschäftsfeld und jeder Simulationsbedarf ist anders. Um zu beurteilen, ob die COMSOL Multiphysics®-Software Ihren Anforderungen entspricht, sollten Sie sich mit uns in Verbindung setzen. Wenn Sie mit einem unserer Vertriebsmitarbeiter sprechen, erhalten Sie personalisierte Empfehlungen und vollständig dokumentierte Beispiele, die Ihnen dabei helfen, eine qualifizierte Bewertung treffen zu können. Sie werden außerdem bei der Auswahl der passenden Lizenzoption für Ihre Bedürfnisse unterstützt. Klicken Sie einfach auf die Schaltfläche "COMSOL kontaktieren", geben Sie Ihre Kontaktdaten sowie Ihre spezifischen Kommentare und Fragen ein und senden Sie diese ab. Sie erhalten innerhalb eines Arbeitstages eine Antwort von einem Vertriebsmitarbeiter.

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