Zur Erlangung des akademischen Grades eines. Doktors der Ingenieurwissenschaften

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1 Numerische und experimentelle Untersuchungen zur Eigenspannungs- und Verzugsausbildung beim martensitischen Härten von Stufenzylindern und Quadern in verdampfenden Flüssigkeiten Zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften von der Fakultät für Maschinenbau der Universität Karlsruhe (TH) genehmigte Dissertation von Dipl.-Ing. Martin Ehlers aus Braunschweig Tag der mündlichen Prüfung: 8. Juli 1999 Hauptreferent: Univ.-Prof. Dr. mont. habil. H. Müller Korreferent: Univ.-Prof. Dr.-Ing. D. Löhe

2 Schriftenreihe Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik Band 6/2000 Martin Ehlers Numerische und experimentelle Untersuchungen zur Eigenspannungs- und Verzugsausbildung beim martensitischen Härten von Stufenzylindern und Quadern in verdampfenden Flüssigkeiten. Shaker Verlag Aachen 2000

3 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Ehlers, Martin: Numerische und experimentelle Untersuchungen zur Eigenspannungsund Verzugsausbildung beim martensitischen Härten von Stufenzylindern und Quadern in verdampfenden Flüssigkeiten / Martin Ehlers. Aachen : Shaker, 2000 (Schriftenreihe Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik ; Bd. 2000,6) Zugl.: Karlsruhe, Univ., Diss., 2000 ISBN Copyright Shaker Verlag 2000 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

4 Danksagung Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Werkstoffkunde I der Universität Karlsruhe (TH). Herrn Prof. Dr. mont. habil. Müller danke ich für die Möglichkeit zur Durchführung der Arbeit, für sein Interesse am Fortgang der Untersuchungen, seine stete Unterstützung, die kritische und konstruktive Durchsicht des Manuskripts und für die Übernahme des Hauptreferats. Herrn Prof. Dr.-Ing. Löhe danke ich für die Unterstützung beim Fortgang der Arbeiten und die Übernahme des Korreferats. Herrn Dr. rer. nat. Lutz Grosz von der School of Mathematical Sciences der Australian National University, Canberra gilt mein besonderer Dank für die stets sehr gute Zusammenarbeit nicht nur im Bereich der Programmentwicklung. Weiterhin danke ich allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Instituts für Werkstoffkunde I, die auf verschiedene Art und Weise zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben. Mein besonders herzlicher Dank gilt den Herren Siegfried Botchen, Gaëtan Braud, Atanas Dimitrov, Gunther Elsässer, Javier Gonzáles, Kai-Uwe Horváth, Neven Lipu»ûek, Christophe Marcinkowsky, Mihail Nikiforov, Oliver Maschmann, Maurice Pendola, Pierre Rediger, Christoph Stehle, Dietmar Werner und Axel Widmann, die durch ihr Engagement als Studienund Diplomarbeiter, wissenschaftliche Hilfskräfte und Praktikanten entscheidenden Anteil am Gelingen dieser Arbeit hatten.

5 Inhaltsverzeichnis i 1. Einleitung 1 2. Kenntnisstand Wärmeübergang beim Tauchkühlen Eigenspannungen und Verzug infolge Wärmebehandlung Modellvorstellungen zur Eigenspannungs- und Verzugsausbildung Einfluß der Geometrie auf die Eigenspannungs- und Verzugsausbildung Verzug als Systemeigenschaft Grundlagen zur Berechnung der Stahlhärtung Wärmeleitung Modellierung des Wärmeübergangs Phasenumwandlung Härte Diffusion Grundlagen der Kontinuumsmechanik Linear-elastisches Werkstoffverhalten Elastisch-plastisches Werkstoffverhalten Thermische, umwandlungsbedingte und umwandlungsplastische Beanspruchungen Methode der Finiten Elemente Theoretische Grundlagen Iterative Lösung nichtlinearer Gleichungssysteme Numerische Zeitintegration Experimentelle Untersuchungen zum Einfluß von Körperkanten auf das Abkühl- und Verzugsverhalten beim Tauchkühlen Versuchseinrichtung und Versuchsdurchführung Versuchsauswertung Stufenzylinder Probengeometrie, Probenwerkstoff und Versuchsdurchführung Einfluß der Eintauchrichtung auf das Abkühl- und Verzugsverhalten beim Abschrecken in Wasser Einfluß der Eintauchrichtung auf das Abkühl- und Verzugsverhalten beim Abschrecken in Isomax Einfluß der Eintauchrichtung auf das Abkühl- und Verzugsverhalten beim Abschrecken in Isodur Zusammenfassende Bewertung Quader Probengeometrie, Probenwerkstoff und Versuchsdurchführung Einfluß der Abmessungen auf das Abkühl- und Verzugsverhalten beim Abschrecken in Wasser Einfluß der Abmessungen auf das Abkühl- und Verzugsverhalten beim Abschrecken in Isomax Einfluß der Abmessungen auf das Abkühl- und Verzugsverhalten beim Abschrecken in Isodur Zusammenfassende Bewertung 69

6 ii Inhaltsverzeichnis 4. FE-Berechnungen zum Einfluß der Eintauchrichtung auf die Eigenspannungs- und Verzugsausbildung bei der martensitischen Härtung abgesetzter Stahlzylinder Das verwendete FD-/FE-Programm Geometrie und Materialdaten FE-Parameterstudie zum Einfluß der Eintauchrichtung Einfluß der Eintauchrichtung auf die Temperatur-, Spannungs- und Deformationsentwicklung beim Abschrecken in Wasser Einfluß der Eintauchrichtung auf die Temperatur-, Spannungs- und Deformationsentwicklung beim Abschrecken in Öl Zusammenfassende Bewertung Entwicklung eines FE-Programms zur 3D-Simulation der Stahlhärtung Problemstellung und Randbedingungen Vorüberlegungen Entwicklungsstand des FE-Programms TS Preprocessing Mainprocessing Zeitdiskretisierung Iterationsprozeß Postprocessing Simulationsrechnungen Testrechnungen Analytische und numerische Berechnung der Wärmespannung Analytische und numerische Berechnung der Diffusion Zeitdiskretisierung Ortsdiskretisierung Simulation der Stahlhärtung von Quadern Abschrecken eines Quaders aus 42CrMo4 in Wasser Abschrecken eines Quaders aus 42CrMo4 in Öl Abschrecken eines Quaders aus Ck45 in Wasser Abschrecken eines Quaders aus Ck45 in Öl Simulation der Stahlhärtung eines U-Profils Zusammenfassende Bewertung Zusammenfassung Literatur 155