Skalenübergreifende Simulation des Anlassens von Werkzeugstählen

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1 Skalenübergreifende Simulation des Anlassens von Werkzeugstählen Von der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades einer Doktorin/eines Doktors der Ingenieur-wissenschaften, einer Doktorin/eines Doktors der Naturwissenschaften genehmigte Dissertation von Atilim Eser Berichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christoph Broeckmann Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Ernst Kozeschnik Tag der mündlichen Prüfung: 19. Dezember 2013 Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar.

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3 WICHTIG: D 82 überprüfen!!! Werkstoffanwendungen im Maschinenbau hrsg. von Prof. Dr.-Ing. Christoph Broeckmann Band 4 Atilim Eser Skalenübergreifende Simulation des Anlassens von Werkzeugstählen Shaker Verlag Aachen 2014

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: D 82 (Diss. RWTH Aachen University, 2013) Copyright Shaker Verlag 2014 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Danksagung Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau der RWTH Aachen. Ich möchte mich an dieser Stelle bei vielen Menschen bedanken, die mich bei der Erstellung dieser Arbeit sehr unterstützt haben. Mein ganz besonderer Dank gilt meiner lieben Ehefrau Natalia Eser für ihre Unterstützung sowie ihr Verständnis, wenn ich einmal nicht für sie da sein konnte. Ausdrücklich bedanken möchte ich mich bei Herrn Prof. Dr.-Ing. C. Broeckmann für die Möglichkeit zur Durchführung der Arbeit und die Übernahme des Referates. Ich bedanke mich für das entgegengebrachte Vertrauen und die vielen anregenden Diskussionen und Hinweise. Herrn Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. E. Kozeschnik gilt ein herzliches Dankeschön für die Hilfestellung bei Fragen rund um das Softwarepaket MatCalc sowie die Übernahme des Referates. Weiterhin danke ich allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Instituts, die zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben. Besonders erwähnen möchte ich Frau S. Fröhlich, die mir bei der Vorbereitung, Durchführung und Nachbereitung der experimentellen Untersuchungen eine große Hilfe gewesen ist. Darüber hinaus gilt mein spezieller Dank Herrn Dipl.-Ing. T. Wipperfürth, Herrn M.Sc. O.Güvenc, Herrn M.Sc. S. Kurtaraner, Herrn M.Sc. O. Akyol und Herrn L. Xu, die mich als studentische Hilfskräfte begleitet haben. Besonderer Dank gebührt Herr Prof. em. Dr.-Ing. P. Beiss für die motivierenden Diskussionen und Hinweise. Herr P. Simons danke ich für die zügige Herstellung der Versuchsproben. Im Rahmen dieser Arbeit ist mir eine umfangreiche Unterstützung zuteil geworden. Ich darf mich bei Herrn. Dip.-Ing. N. Gökpinar für die Mitarbeit bei der Programmierung und das Korrekturlesen meiner Arbeit bedanken. Den Herren T. Greeb (Kind & Co., Edelstahlwerk, KG) und Dipl.-Ing. I. Schruff (Kind & Co., Edelstahlwerk, KG) bedanke ich für die Unterstützung bei der Durchführung der Wärmebehandlungen, und Herrn Dipl.-Phys. B. Krüger für die Hilfe bei den Eigenspannungsmessungen. Ganz besonderer Dank gilt meinen Kollegen aus der FEM Gruppe: M.Sc. U.A. Özden, M.Sc. G. Chen, M.Sc. C. Van Nguyen, M.Sc. A. Giang Ngoc, Dipl.-Ing. M. Hajeck und Dipl.-Ing. W. Kayser für die fachlichen Hilfestellungen und die sehr angenehme Arbeitsatmosphäre. Außerdem bedanke ich mich bei Herrn Dipl.-Ing. A. Bezold und Herrn Dr. B. Hallstedt für ihre Betreuung während meiner Arbeit. Nicht zuletzt gilt mein größter Dank meinen Eltern für die bedingungslose und uneingeschränkte Unterstützung, derer ich mir schon mein ganzes Leben lang sicher sein konnte.

6 Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis Einleitung Werkzeugstähle und ihre Wärmebehandlung...1 Numerische Simulation der Wärmebehandlung von Stahl...3 Ziel und Weg...4 Grundlagen des Anlassens Gefügeentwicklung...6 Anlassen des Bainits Verzug und Eigenspannungsabbau Werkstoffe Der Warmarbeitsstahl X40CrMoV Der pulvermetallurgische Kaltarbeitsstahl X220CrVMo Der Warmarbeitsstahl 56NiCrMoV Rechnerische Behandlung des Anlassens Ausscheidungssimulation Physikalische Modellierung der Fließgrenze und des Verfestigungsverhaltens Physikalische Modellierung des Kriechverhaltens Temperaturfeldberechnung Umwandlungskinetik Rekonstruktive Phasenumwandlungen Displazive Phasenumwandlungen Mechanische Modellierung Elastische Dehnung Plastische Dehnung Thermische Dehnung und Umwandlungsdehnung Umwandlungsplastizität Plastischer Dehnungsverlust während der Phasenumwandlung Dehnung infolge des Kriechens Implementation in das FEM-Programm ABAQUS Stand der Technik der FEM-Simulation des Anlassens... 66

7 II Inhaltsverzeichnis 5 Ermittlung der Materialkennwerte Thermophysikalische Eigenschaften Wärmeleitfähigkeit Spezifische Wärmekapazität und spezifische Enthalpie Thermisches Ausdehnungsverhalten und Dichte Umwandlungsverhalten ohne äußere Belastung Dilatometermessungen Kalorimetrische Messungen XRD Messungen des Restaustenits Umwandlungsplastizität Warmfestigkeitskennwerte der beteiligten Phasen Elastische Konstanten Fließgrenze und Verfestigungsverhalten Kriechparameter Mikrostrukturelle Untersuchungen Bauteilversuche Wärmebehandlungsvorgänge Messung von Maß- und Formänderungen Eigenspannungsmessungen Rechenstudien Ausscheidungssimulation des Anlassens Physikalische Simulation des Verformungverhaltens während des Anlassens Fließgrenze und Fließkurve Kriechparameter FEM Simulation des Anlassens Simulation der Dilatometerversuche zur Verifizierung des umwandlungsbedingten Verzugs Zylindrische Wärmebehandlungsprobe Hochdruckwalzenmühle Druckgussform

8 Inhaltsverzeichnis III 9 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Ausblick Literaturverzeichnis Anhang