Computational research on microstructure evolution and mechanical properties of martensitic stainless steel during welding and heat treatment processes

 

Ziel dieses Projekts ist die Vorhersage der Gefügeentwicklung und der thermomechanischen Eigenschaften einer Laserschweißnaht und der Wärmeeinflusszone in einer martensitischen Stahlplatte.

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Georg J. Schmitz

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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+49 241 80 98014

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  Gegenüberstellung Gefüge ICMEaix Reales und simuliertes Gefüge

Ausgangspunkt für diese gemeinsame Aktivität war eine plattenähnliche Geometrie einer martensitischen Stahlsorte und die Parameter des Laserschweißverfahrens.

Im Wesentlichen wurden folgende Tätigkeiten durchgeführt:

  • Simulation des Laserschweißprozesses einschließlich der Spezifikation einer bi-modalen Wärmequelle mit dem Umfang der Berechnung des zeitabhängigen Temperaturprofils für nachfolgende Mikrostrukturberechnungen. Die daraus resultierenden thermischen Profile zeigten eine gute Übereinstimmung mit dem Schmelzbadprofil, wie sie durch metallurgische Abschnitte bestimmt wurden.
  • Experimentelle Charakterisierung der Mikrostruktur des Basismaterials durch LOM / EDX / EBSD zur Erzeugung einer geeigneten initialen, digitalen Mikrostruktur für nachfolgende Mikrostruktursimulationen.
  • Mikrostruktursimulationen in 2D zum Modellschmelzen, Wiederverfestigung, Phasenumwandlungen und Kornwachstum in den verschiedenen Zonen der Schweißnaht, i. E. Im Basismaterial, dem HAZ, CGHAZ und dem Schmelzbad.
  • Entwicklung von Kriterien zur Modellierung des Martensits zur Austenit-Transformation in einem Phasenfeldmodell (MICRESS-Software).
  • Entwicklung eines FEM-Modells für die Austenit-zu-Martensit-Transformation mit Temperatur und Stress.
  • Zusammenstellung der thermoelastischen Eigenschaften der einzelnen Phasen (Ferrit, Austenit, Martensit, MC-Carbide) auf Basis der Literaturforschung.
  • Berechnung der effektiven thermoelastischen Eigenschaften der verschiedenen RVE (Basismaterial, HAZ, CGHAZ und Schmelzbad) aus 2D-Mikrostrukturen und über Literaturdaten mit einem Homogenisierungswerkzeug (HOMAT Software).
  • Erzeugung von synthetischen 3D-RVEs basierend auf und entsprechend den 2D-Ergebnissen.
  • Ermittlung der Strömungskurven der verschiedenen 3D RVEs (Basismaterial, HAZ, CGHAZ und Schmelzbad) auf Basis simulierter Mikrostrukturen mit einem FEM-Modell (ABAQUS Software).
  • Zuordnung der verschiedenen RVE-Eigenschaften zur gesamten Komponente.
  • Durchführen virtueller Zugversuche an der gesamten Komponente.
  • Durchführung von Zugversuchen an der realen Komponente.
  • Vergleich von experimentellen und virtuellen Zugversuchen der Komponente.

Die wichtigsten Lektionen sind:

  • Für diesen ICME-Aufbau war die Hand-Shake-Datenübertragung für eine umfassende Modellierung der Mikrostrukturreaktion beim Laserschweißen ausreichend.
  • Benötigt eine bi-modale Wärmequelle für den Laser unter Berücksichtigung der volumetrischen Erwärmung im Schlüsselloch und der Oberflächenheizung im Laserdurchmesser, um das experimentelle Poolprofil korrekt reproduzieren zu können.
  • Die Bildung von groben Körnern in der CGHAZ ist höchstwahrscheinlich auf das Wachstum der Körner im halbfesten Bereich zurückzuführen und nicht auf das normale Kornwachstum im festen Zustand zurückzuführen.
  • Die Zusammensetzung der verschiedenen Phasen - neben ihren Volumenanteilen, Morphologie und Verteilung in der Mikrostruktur - hat einen erheblichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften.
  • Um das effektive thermoelastische und elasto-plastische Verhalten genau vorhersagen zu können, muss bei Mehrphasen-Feldsimulationen eine zufällige 3D-Orientierung vorgegeben werden, auch wenn diese in 2D durchgeführt werden.
  • 3D-Anfangs-Mikrostrukturen einschließlich Kornorientierungen wären für weitere Verbesserungen von Modellvorhersagen von Vorteil.
 

Projektpartner

Organisation Anschrift
MICRESS-Gruppe,
ACCESS e.V.
Intzestr. 5,
52072 Aachen,
Deutschland
Research & Development Group,
Hitachi Ltd.
1-1 Omika-cho 7-chome,
Hitachi-shi, Ibaraki 319-1292,
Japan
Integrative Werkstoffsimulation,
Institut für Eisenhüttenkunde IEHK,
RWTH Aachen
Intzestr. 1,
52072 Aachen,
Deutschland

 

Veröffentlichungen

  1. G. Laschet, B. Böttger, K. Komerla, Y. Kanegae, M. Ogata, M. Park, U. Prahl and G.J. Schmitz: Prediction of microstructure evolution and thermomechanical properties of a martensite steel plate during laser welding, IWCMM25 Conference, October 1st to 2nd 2015, Bochum, Germany
  2. G.J. Schmitz, M. Apel and B. Böttger: On the role of solidification modeling in ICME settings, Materials Science and Engineering 117 (2016) 012041, DOI: 10.1088/1757-899X/117/1/012041 | RWTH Publications