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Materialumwandlung

Die Simulation der Materialumwandlung ist ein nützliches Instrument für Entwickler und Hersteller, die sich mit den Themen Schweißen, Härten und Gießen befassen. 

Bild zu Merkle & Partner Materialumwandlung Schweissnaht

Die Materialumwandlung stellt umfassende Informationen bereit, die für die Optimierung des Prozesses (Kühlverfahren, Wärmequellenintensität, etc.) als auch der behandelten Teile (Geometrie, Materialien, etc.) wesentlich sind. 

Nutzen der Materialumwandlung

Die Simulation physikalischer Phänomene, die verschiedene Herstellungsverfahren mit sich bringen, geben Aufschluss über: 

  • die Entwicklung metallurgischer Strukturen in der Zeit 
  • Restspannungen und -belastungen, abhängig vom Temperaturfeld und von der Verteilung der unterschiedlichen metallurgischen Phasen 
  • Diffusion (Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff etc.) innerhalb der Struktur

 

Bei der Simulation einer Materialumwandlung lassen sich prozessspezifische Aussagen machen über: 

  • Bestimmung der thermischen und metallurgischen Effekte beim Schweißen, Härten und Gießen 
  • Eigenspannungen in Schweißnähten 
  • Verzug beim Schweißen und Härten 
  • Oberflächenbehandlung 

Beim Härten von Bauteilen durch Abschrecken in einem Fluid (Wasser, Öl oder Gas) treten aufgrund metallurgischer Effekte Eigenspannungen auf. Dies hat Auswirkungen auf Toleranzen und Lebensdauer. Eine Oberflächenbehandlung (Laser, Elektronenstrahl etc.) kann Druckspannungen verursachen, welche die Lebensdauer des Bauteils in Bezug auf den Ermüdungswiderstand erhöhen. In diesem Fall können Versprödungszonen entstehen und die Lebensdauer negativ beeinträchtigen. 

Mechanische Eigenschaften werden während des Schweißens (Punkt, Elektronenstrahl, Laserstrahl, überzogene Elektrode, TIG etc.) wesentlich verändert. Das führt zum Auftreten von heterogenen Mehrphasen-Zonen (flüssige Zone, thermisch veränderte Zone etc.), die von Versprödung (Vorhandensein von Wasserstoff) begleitet werden können. 

Nach dem heutigen Stand der Technik sind die Simulationen nach wie vor sehr aufwendig und teuer und damit wenig wirtschaftlich. Der Schwerpunkt liegt aktuell noch bei wissenschaftlichen Anwendungen bzw. bei sicherheitsrelevanten Aufgabenstellungen aus der Kernenergie (Reparaturschweißung an Reaktorblöcken). 

Durch vereinfachte Verfahren gelingt es, globale Aussagen zum Verzug von geschweißten Bauteilen und zur Optimierung der Schweißfolge zu machen. 

Anwendungsgebiete der Materialumwandlung

Automobilindustrie 

  • Blechherstellung 
  • Wärmebehandlung der mechanischen Bestandteile 
  • Zahnräder, Kurbelwellen, Pleuelstangen, etc. 

Stahlindustrie 

  • Abschrecken 
  • Schmelzverfestigung 
  • Wärmebehandlung der Blechprodukte 

Kraftwerktechnik 

  • Schweißen von Rohrsystemen 
  • Behälter 

Schienenfahrzeugindustrie 

  • Aushärten von Rädern (Bahnfuhrpark) 
  • Wärmebehandlung der Lager, etc. 

Forschungszentren 

  • metallurgische Phänomene 
  • Eigenspannungen in Schweißnähten 
  • Prozessverbesserung 
  • Studien neuer Technologien, etc. 

Stichworte

  • Dilatometerkurve 
  • Eigenspannungen 
  • Gießen 
  • Härten 
  • Heißriss 
  • Materialumwandlung 
  • Metallurgie 
  • Phasenumwandlung 
  • Reparaturschweißen 
  • Schweißen 
  • Schweißnaht 
  • Simulation 
  • ZTU Diagramm 

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