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Lehrstuhl
Metallische Werkstoffe
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CrPt Phasendiagramm
Mit der CALPHAD-Methode berechnetes Phasendiagramm in Gegenüberstellung mit experimentellen Messwerten. CrPt3_SpinDensity
Darstellung der Elektronenspindichte in der intermetallischen Phase CrPt3 als Beispiel für eine quantenmechanische Berechnung von Kristallen.

Kriechoxidationsmodell
Vergleich des Kriechver­haltens der Nickelbasissuperlegierung René N5 an 0,3mm dünnen Proben bei 230 MPa an Luft und unter Vakuum mit einem Verformungsmodell, dass die Oxidation des Werkstoffs berücksichtigt.

Berechnung der Versetzungsdichte
Berechnung der Versetzungs­dichten im horizontalen Matrix­kanal einer Nickelbasis-Superlegierung

FEM_Zugkriechprobe
FEM-Modell einer dünnwandigen Kriechzugprobe mit Einspann­backen und angelegter elektrischer Spannung, die die Probe resistiv aufwärmt. Der resultierende Temperaturverlauf lässt sich berechnen.

 FEM-Modell_CMSX-4
Berechnete innere Spannungen in der Matrixphase und in der Ausscheidung einer Nickelbasissuperlegierung während der Kriechverformung

Modellierung und Simulation

Ansprechpartner:

Dipl.-Ing. Matthias Bensch

Thermodynamische Simulation von Metallen

Mit Hilfe der thermodynamischen Modellierung kann die Bildung der Mikrostruktur in Werkstoffen simuliert werden (Computational Thermodynamics). Dabei wird die Stabilität der einzelnen Phasen bei verschiedenen Temperaturen und Element­konzentrationen berechnet, woraus man beispielsweise Phasendiagramme ableiten kann. Die Vorhersage der Mikrostruktur ist von besonderer Bedeutung, da sie die mechanischen, chemischen und physikalische Eigenschaften der Werkstoffe wesentlich bestimmt. Durch das Zusammenführen von thermodynamischen Messwerten und experimentell ermittelten Phasendiagrammen kann ein Legierungssystem über die CALPHAD-Methode (CALculatoin of PHAse Diagrams) beschrieben werden. Die thermodynamische Darstellung eines Systems basiert dabei auf der Bestimmung der Gibbs'schen Energiefunktionen G(x,T) durch mathematische Modelle. Wurden diese Energiefunktionen für alle Phasen richtig bestimmt, so lassen sich z.B. Phasendiagramme mit guter Genauigkeit berechnen. Im Bild ist das berechnete Cr-Pt-Phasendiagramm experimentellen Ergebnissen gegenübergestellt. Für die Ermittlung thermodynamischer Kennwerte können auch quantenmechanische Berechnungen hilfreich sein, die den elektronischen Grundzustand eines Kristalls beschreiben. Diese Berechnungen geben z.B. Aufschluss über Bildungsenthalpien, Gitterparameter und magnetische Eigenschaften. Im Bild ist das Ergebnis einer quantenmechanischen Berechnung zu sehen. Es sind die Spindichten, d.h. der Unterschied zwischen dem up- und down-Spin der Elektronen dargestellt. Aus der thermodynamischen Bestimmung mehrerer binärer Phasendiagramme können Rückschlüsse auf die Ausbreitung der Phasen in ternäre und höhere Systeme gezogen werden. So lassen sich in gewissem Maße die stabilen Phasen vorhersagen. Zieht man die Reaktions- und Diffusionskinetik mit in Betracht, können dynamische Prozesse, wie Homogenisierungsvorgänge, Bildung von Ausscheidungen und Oxidationsvorgänge abgebildet werden.
Am Lehrstuhl werden thermodynamische Berechnungen zu Hochtemperatur­werkstoffen (Platin- und Nickellegierungen) durchgeführt.

Verformungssimulation von Nickelbasissuperlegierungen

Hochtemperaturfeste Nickelbasissuperlegierungen kommen bei stationären Gasturbinen und Flugzeugtriebwerken zum Einsatz. Für die Verwendung bei hohen Temperaturen spielt deren Oxidation eine wichtige Rolle. Dabei wachsen Oxidschichten auf, die nur eine sehr geringe Kriechfestigkeit aufweisen. Aufgrund der daraus resultierenden Abnahme des tragenden Querschnitts verformen sich dünnwandige Proben im Kriechversuch unter Luft deutlich schneller als unter Vakuum. Das Verformungs­verhalten kann durch ein Kriech-Oxidations-Modell beschrieben werden, das die einzelnen Oxidschichten und deren Wachstum berücksichtigt und dabei den Einfluss auf das Kriechverhalten beschreibt.  Daraus lassen sich wichtige Erkenntnisse über die Wachstumskinetik von Oxidschichten ableiten. Ebenso lassen sich Aussagen über den Einfluss der Oxidschichtbildung auf das Hochtemperatur­verformungs­verhalten treffen.
In Metallen spielt bei der Verformung die Bewegung von Versetzungen eine wichtige Rolle. In weiteren Simulationen können Versetzungsdichten während der Kriechverformung im Material lokal bestimmt werden. Aus diesen Betrachtungen können Rückschlüsse auf das makroskopische Verformungs­verhalten gezogen werden. Die Simulationen können dabei helfen das Verformungsverhalten besser zu verstehen und Möglichkeiten einer Mikrostrukturoptimierung auszuloten.

FEM-Simulationen

Bei der Finite-Elemente-Methode (FEM) wird ein Objekt, das eine komplexe Form haben kann, in kleinere polygone (finite) Elemente zerlegt, die einzeln einfacher berechnet werden können. Damit lassen sich strukturmechanische und physikalische Problemstellungen simulieren.
Am Lehrstuhl Metallische Werkstoffe befinden sich eine Reihe von Anlagen, die im Hause ausgelegt und hergestellt wurden. Die Finite-Elemente-Methode ist ein gutes Hilfsmittel um bei der Auslegung der Anlagen die richtigen Parameter zu finden.
Auch können in Zusammenarbeit mit Industriepartnern Prüfstände und Anlagen dimensioniert und ausgelegt werden.
Die Finite-Elemente-Methode eignet sich ebenso dazu, Werkstoffe selbst zu analysieren und Materialkennwerte abzuleiten. Nickelbasissuperlegierungen haben hohe innere Spannungen, die durch die Mikrostruktur bestimmt sind. In einer Ni-reichen γ-Mischkristallphase sind sehr harte γ'-Teilchen der intermetallischen Phase Ni3Al kohärent ausgeschieden, die die innere Struktur verspannen. Darauf beruhen zu einem großen Teil die guten Hochtemperatureigenschaften dieser Legierungen. Die Untersuchung dieser inneren Spannungen, auch im Laufe der Hochtemperaturverformung, lässt sich mit geeigneten FEM-Modellen realisieren, die die Mikrostruktur abbilden und die Spannungsverläufe im Material lokal berechnen können.

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Lehrstuhl Metallische Werkstoffe, Prof. Dr.-Ing. Uwe Glatzel - Impressum