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Metal Processing Module

Metallurgische Phasenumwandlungen in mechanischen Komponenten

Wenn ein Material wie Stahl oder Gusseisen bei erhöhter Temperatur erwärmt oder abgekühlt wird, kann es zu metallurgischen Phasenumwandlungen kommen. Das Metal Processing Module ist ein Add-On zur Simulationssoftware COMSOL Multiphysics®, mit dem Sie untersuchen können, wie sich diese Phasenumwandlungen auf die mechanischen und thermischen Eigenschaften der Materialien auswirken. Das Modul umfasst Funktionen zur Modellierung von Phasenumwandlungen, die beabsichtigt (zum Beispiel beim Abschrecken und Aufkohlen von Stahl) oder unbeabsichtigt (zum Beispiel bei der additiven Fertigung und beim Schweißen) herbeigeführt werden, sowie für die Modellierung des Glühens. Die integrierten Multiphysik-Funktionalitäten helfen Ihnen, die Leistung eines Bauteils durch Optimierung der Phasenzusammensetzung zu verbessern.

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Ein graues Stirnradmodell aus Metall mit einem kleinen Ausschnitt dargestellt in den Farben Rot, Weiß und Blau.
Drei Modelle eines Stahlrohlings, die den Martensit-Phasenanteil, die plastische Dehnung und die Axialspannung zeigen.

Stahlabschrecken

Das Abschrecken von Stahl ist ein Wärmebehandlungsverfahren, bei dem Stahlteile, die auf einen vollständig austenitischen Zustand erhitzt wurden, schnell abgekühlt werden. Da es sich beim Stahlabschrecken um einen multiphysikalischen Prozess handelt, beinhaltet die Simulation eine kombinierte Analyse aus Austenitzersetzung, Wärmetransport und Strukturmechanik. Das Metal Processing Module bietet spezielle Features und Funktionalitäten, um den Modellaufbau für diesen multiphysikalischen Prozess zu erleichtern.

Nach Durchführung der Analyse können Sie Phasenzusammensetzungen und den Einfluss der Abkühlungsrate auf die endgültigen Verformungen und Eigenspannungen während des Abschreckens eines Bauteils untersuchen. Diese Ergebnisse geben Aufschluss über die Wirksamkeit eines bestimmten Abschreckmittels und darüber, wie die physikalische Geometrie eines Bauteils die erreichbare Phasenzusammensetzung in seinem Inneren beeinflusst.

Aufkohlung

Bei der Aufkohlung wird eine Stahlkomponente erhitzt und einer kohlenstoffreichen Umgebung, z. B. Kohlenmonoxid, ausgesetzt. Die Diffusion von Kohlenstoff aus der Umgebung in das Material erfolgt durch die Oberfläche und mittels eines zeitabhängigen Diffusionsprozesses. 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.

Ein Modell eines Stirnrads, das in den Farben Orange, Gelb und Grün dargestellt ist. Mit Hilfe eines Ausschnitts wird zusätzlich das Innere des Zahnrads abgebildet.
Drei Stirnradsegmente mit Darstellung der äquivalenten plastischen Dehnung, des Glühzustands und der Temperatur.

Glühen

Häufig ist es erforderlich, die Erwärmung von plastisch verformtem Stahl zu modellieren. Wenn Stahl ausreichend hohen Temperaturen ausgesetzt wird, verliert er seine vorherige Kaltverfestigung, und dieser Effekt sollte in das Modell einbezogen werden. Das Metal Processing Module bietet in Kombination mit dem Nonlinear Structural Materials Module Optionen zur Modellierung des Glühens. Dies ermöglicht die Angabe einer Glühtemperatur, bei oder über der die vorherige Kaltverfestigung des Stahls durch eine Rückstellung der Variablen für die plastische Verfestigung aufgehoben wird.

Diese Modellierungsmöglichkeit ist besonders nützlich für Szenarien, die thermische Zyklen beinhalten, wie zum Beispiel beim Mehrlagenschweißen. In diesen Fällen wird der Eigenspannungszustand des Werkstoffs durch seine plastische Vorgeschichte erheblich beeinflusst.

Features und Funktionalitäten im Metal Processing Module

Modellieren Sie metallurgische Phasenumwandlungen und verwandte Phänomene.

Eine Nahaufnahme der Einstellungen für die Phasenumwandlung und eine 2D-Darstellung des Austenit-Phasenanteils.

Metallische Phasenumwandlungen

Das Interface Metal Phase Transformation wird für die Untersuchung metallurgischer Phasenumwandlungen verwendet, die in einem Material wie Stahl während des Erhitzens oder Abkühlens auftreten. Mit dem Feature Metallurgical phase können Sie den anfänglichen Phasenanteil und die Materialeigenschaften definieren; mit dem Feature Phase transformation können Sie die Ausgangsphase, die Zielphase und das Phasenumwandlungsmodell definieren.

Für diffusionsgesteuerte Phasenumwandlungen, z. B. wenn sich Austenit in Ferrit zersetzt, gibt es drei Arten von Phasenumwandlungsmodellen: Leblond-Devaux, Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) und Kirkaldy–Venugopalan. Für die Modellierung von displassiven (diffusionsloser) martensitischen Phasenumwandlungen steht das Koistinen-Marburger Modell zur Verfügung.

Diese Phasentransformationsmodelle können z.B. anhand von TTT-Diagrammdaten definiert werden. Die Daten für die Phasenumwandlung werden für jedes Modell separat definiert und Sie haben die Möglichkeit, die Daten aus der Software JMatPro® zu importieren.

Neben der Modellierung von Phasenumwandlungen in Stählen können Sie auch Metalle wie Titanlegierungen modellieren, die häufig in der additiven Fertigung verwendet werden, und Sie haben die Freiheit, Ihre eigenen Phasenumwandlungsmodelle zu definieren.

Eine Nahaufnahme des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Austenite Decomposition und der Spannung eines Stirnradmodells im Grafikfenster.

Austenitzersetzung

Das Interface Austenite Decomposition ist eine spezielle Version des Interfaces Metal Phase Transformation und dient der Modellierung der Austenitzersetzung während der schnellen Abkühlung von Stahl aus dem austenitischen Zustand. Das Interface umfasst automatisch die metallurgischen Phasen - Austenit, Ferrit, Perlit, Bainit und Martensit - sowie die Phasenumwandlungen, die während des Abschreckprozesses auftreten können.

Eine Nahaufnahme des Model Builder mit dem ausgewählten Ergebnisknoten für die Kohlenstoffkonzentration und einem im Grafikfenster angezeigten Zahnrad aus Stahl.

Aufkohlung

Das Interface Carburization dient der Modellierung von Aufkohlungsprozessen während der Wärmebehandlung. Mit diesem Interface können Sie die Kohlenstoffkonzentration der Umgebung definieren, die Art und Weise angeben, wie sich der Kohlenstoff über die Oberfläche bewegen kann, und festlegen, wie der Kohlenstoff im Inneren des Bauteils diffundieren kann.

Eine Nahaufnahme des Model Builder mit hervorgehobenem Optimierungsknoten und einem TTT-Diagramm im Grafikfenster.

Kalibrierung von Phasenumwandlungsmodellen

Bei der Definition und Verwendung eigener Phasenumwandlungsmodelle in einer Simulation, kann eine experimentelle Kalibrierung für eine bestimmte Phasenumwandlung erforderlich sein. Sie können gängige Phasenumwandlungsdiagramme berechnen, um die Kalibrierung gegen experimentelle Daten zu erleichtern, wie z.B. Continuous Cooling Transformation (CCT) und Time Temperature Transformation (TTT) Diagramme. Beachten Sie, dass das Optimization Module für die Kalibrierung gegen TTT-Daten erforderlich ist.

Eine Nahaufnahme des Model Builder mit dem hervorgehobenen Phase Transformation Latent Heat-Knoten und der Temperatur eines runden Balkens im Grafikfenster.

Wärmetransport mit Phasenumwandlungen

Das Multiphysik-Interface Heat Transfer with Phase Transformations kann zur Modellierung metallurgischer Phasenumwandlungen während der thermischen Belastung verwendet werden. Das Metal Processing Module ist in der Lage, den Wärmetransport unter Verwendung der vollständigen Wärmegleichung in der Analyse zu modellieren. Eine Multiphysik-Kopplung wird automatisch aufgesetzt, um die latente Wärme zu berücksichtigen. Die Wärmeleitfähigkeit, die Dichte und die spezifische Wärmekapazität können temperaturabhängig sein und sogar von der aktuellen Phasenzusammensetzung abhängen. So unterscheidet sich beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit von Austenit von der von Ferrit, und mit der Entwicklung der Phasenanteile ändert sich auch die Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs.

Eine Nahaufnahme des Model Builders mit drei hervorgehobenen Physik-Interfaces und drei Modellergebnissen eines Stahlrohlings im Grafikfenster.

Stahlabschrecken

Ein vordefiniertes Multiphysik-Interface Steel Quenching steht zur Verfügung, dass Ihre Simulation des Stahlabschreckens automatisch aufsetzt. Es fügt ein Interface Austenite Decomposition, sowie die Interfaces Solid Mechanics und Heat Transfer in Solids hinzu. Multiphysik-Kopplungen werden automatisch eingerichtet, um Phasenumwandlungsspannungen und latente Wärme für die einzelnen metallurgischen Phasen zu berücksichtigen.

In Kombination mit dem Nonlinear Structural Materials Module kann das Metal Processing Module zur detaillierten Berechnung von Spannungen und Dehnungen beim Abschrecken verwendet werden. Die plastischen Dehnungen der einzelnen metallurgischen Phasen sind enthalten, und eine Option zur plastischen Erholung sowie ein nichtlineares Gewichtungsschema können zur Modellierung der effektiven Fließspannung des Verbundwerkstoffs verwendet werden. Die Bezugstemperatur des Volumens und der thermische Ausdehnungskoeffizient werden verwendet, um einen thermischen Dehnungstensor in jeder Phase zu berechnen. Plastizitätseffekte bedingt durch Transformations-Induced Plasticity (TRIP) können ebenfalls analysiert werden, wenn die inelastische Dehnung des Materials aus Spannungen resultiert, die unterhalb der Fließspannung liegen, sodass damit kein plastisches Fließen im Sinne der klassischen Plastizität vorliegen würde.

Eine Nahaufnahme des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Metal Phase Transformation und den Ergebnissen einer Stange im Grafikfenster.

Phasen- und Verbundwerkstoffeigenschaften

Die Interfaces Metal Phase Transformation und Austenite Decomposition können effektive Materialeigenschaften auf der Grundlage der Materialeigenschaften der einzelnen metallurgischen Phasen berechnen. Diese effektiven Eigenschaften können von anderen Interfaces, wie Heat Transfer in Solids und Solid Mechanics, transparent genutzt werden. Die Materialeigenschaften werden für jede metallurgische Phase separat definiert und können optional aus der Software JMatPro® importiert werden.

Neben der Modellierung von Phasenumwandlungen in Stählen können Sie auch Metalle wie Titanlegierungen modellieren, die häufig in der additiven Fertigung verwendet werden, und Sie haben die Freiheit, Ihre eigenen Phasenumwandlungsmodelle zu definieren.

Erweitern Sie Ihre Modellierung mit dem Metal Processing Module

Wenn Sie das Metal Processing Module zu COMSOL Multiphysics® hinzufügen, sind die Funktionen vollständig in den Modellierungs-Workflow integriert und können mit allen anderen Modulen verwendet werden. Beispielsweise können Sie das Metal Processing Module mit folgenden Modulen kombinieren:

  • Nonlinear Structural Materials Module, um detaillierte Studien von Eigenspannungen und Dehnungen in Abschrecksimulationen durchzuführen.
  • Heat Transfer Module, um die Auswirkungen der Wärmestrahlung zu kombinieren, die in Abschreckszenarien relevant sein können.
  • AC/DC-Module, um Induktionshärten zu simulieren, bei dem Sie das berechnete Temperaturfeld aus einer induktiven Wärmetransportsimulation als Eingabe für eine Abschrecksimulation verwenden können.
Detaillierte Darstellung der Spannung auf einem runden Metallstab.
Eine detaillierte Ansicht der Temperatur und der elektromagnetischen Felder eines Stahlrohlingsmodell.

Jedes Unternehmen und jeder Simulationsbedarf ist einzigartig.

Um zu beurteilen, ob die COMSOL Multiphysics® Software Ihren Anforderungen entspricht, kontaktieren Sie uns bitte. Wenn Sie mit einem unserer Vertriebsmitarbeiter sprechen, erhalten Sie persönliche Empfehlungen und vollständig dokumentierte Beispiele, die Ihnen helfen, das Beste aus Ihrer Evaluierung herauszuholen und die beste Lizenzoption für Ihre Bedürfnisse zu wählen.

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