Mikromechanische Simulation der Gefügeausbildung und der Eigenschaften einer Magnesia-Spinell Keramik

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Mikromechanische Simulation der Gefügeausbildung und der Eigenschaften einer Magnesia-Spinell Keramik. / Fasching, Christoph.
2015.

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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title = "Mikromechanische Simulation der Gef{\"u}geausbildung und der Eigenschaften einer Magnesia-Spinell Keramik",
abstract = "In Hochtemperaturprozessen, wie etwa der Stahl- oder Zementindustrie, werden feuerfeste Materialien ben{\"o}tigt, die chemischen, thermischen und mechanischen Belastungen standhalten m{\"u}ssen. Eine rasche Temperatur{\"a}nderung, ein sogenannter Thermoshock, ruft in einer feuerfesten Ausmauerung Spannungen hervor, die zu einer Rissinitiation bzw. Rissausbreitung f{\"u}hren. Daher m{\"u}ssen die eingesetzten Materialien neben der Temperaturbest{\"a}ndigkeit auch einen gr{\"o}{\ss}tm{\"o}glichen Widerstand gegen Rissentstehung und –ausbreitung aufweisen. Diese Eigenschaften k{\"o}nnen durch Kennwerte beschrieben werden, die einen Vergleich zwischen verschiedenen feuerfesten Keramiken erm{\"o}glichen. Ein wichtiger Vertreter ist die Spr{\"o}digkeitskennzahl B bzw. die charakteristische L{\"a}nge lch des Materials. Diese Kennzahlen sind von der Zugfestigkeit, dem E-Modul und einer spezifischen Bruchenergie abh{\"a}ngig. In der vorliegenden Arbeit wird die spr{\"o}digkeitsreduzierende Eigenschaft von Mikrorissen in einem Magnesia-Spinell Gef{\"u}ge untersucht. Zu diesem Zweck werden Simulationen durchgef{\"u}hrt die die Entstehung dieser Risse w{\"a}hrend des Produktionsprozesses nachbilden. Das verwendete finite Elemente Modell beschreibt dabei die Rissinitiierung in einem Gef{\"u}geausschnitt aufgrund ungleicher thermischer W{\"a}rmeausdehnungskoeffizienten von Magnesia und Spinell. Das so entstehende Mikrorissnetzwerk f{\"u}hrt zu einer Herabsetzung der Festigkeit, zu einer Erh{\"o}hung der spezifischen Bruchenergie und dadurch zu einer geringeren Spr{\"o}digkeit. Im Vergleich mit den Ausgangsmaterialien erh{\"o}ht sich der Widerstand gegen Risswachstum bzw. verbessert sich die Temperaturwechselbest{\"a}ndigkeit. Ein weiterer Teil der Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit der Erstellung und Darstellung des Materials als FE-Gef{\"u}ge durch ein repr{\"a}sentatives Volumenelement. In Folge werden verschiedene Aspekte, wie z.B. der Spinell-Gehalt, hinsichtlich deren Auswirkungen betrachtet. Unter anderem wird auch der Einfluss unterschiedlicher W{\"a}rmeausdehnungskoeffizienten auf die resultierenden mechanischen Eigenschaften untersucht. Durch die Variation der Kontakteigenschaften zwischen den beiden Materialien und durch die Erweiterung um ein drittes Material, wird gezeigt, dass der Kontakteigenschaften von grundlegender Bedeutung sind.",
keywords = "Refractories, Magnesia spinel, FE-simulation, FE-structure, Cooling simulation, Characteristic length, Micromechanics, Representative volume element, Feuerfest, Magnesia-Spinell, FE-Simulation, FE-Gef{\"u}ge, Abk{\"u}hlsimulation, Charakteristische L{\"a}nge, Mikromechanik, Repr{\"a}sentatives Volumselement",
author = "Christoph Fasching",
note = "nicht gesperrt",
year = "2015",
language = "Deutsch",

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TY - BOOK

T1 - Mikromechanische Simulation der Gefügeausbildung und der Eigenschaften einer Magnesia-Spinell Keramik

AU - Fasching, Christoph

N1 - nicht gesperrt

PY - 2015

Y1 - 2015

N2 - In Hochtemperaturprozessen, wie etwa der Stahl- oder Zementindustrie, werden feuerfeste Materialien benötigt, die chemischen, thermischen und mechanischen Belastungen standhalten müssen. Eine rasche Temperaturänderung, ein sogenannter Thermoshock, ruft in einer feuerfesten Ausmauerung Spannungen hervor, die zu einer Rissinitiation bzw. Rissausbreitung führen. Daher müssen die eingesetzten Materialien neben der Temperaturbeständigkeit auch einen größtmöglichen Widerstand gegen Rissentstehung und –ausbreitung aufweisen. Diese Eigenschaften können durch Kennwerte beschrieben werden, die einen Vergleich zwischen verschiedenen feuerfesten Keramiken ermöglichen. Ein wichtiger Vertreter ist die Sprödigkeitskennzahl B bzw. die charakteristische Länge lch des Materials. Diese Kennzahlen sind von der Zugfestigkeit, dem E-Modul und einer spezifischen Bruchenergie abhängig. In der vorliegenden Arbeit wird die sprödigkeitsreduzierende Eigenschaft von Mikrorissen in einem Magnesia-Spinell Gefüge untersucht. Zu diesem Zweck werden Simulationen durchgeführt die die Entstehung dieser Risse während des Produktionsprozesses nachbilden. Das verwendete finite Elemente Modell beschreibt dabei die Rissinitiierung in einem Gefügeausschnitt aufgrund ungleicher thermischer Wärmeausdehnungskoeffizienten von Magnesia und Spinell. Das so entstehende Mikrorissnetzwerk führt zu einer Herabsetzung der Festigkeit, zu einer Erhöhung der spezifischen Bruchenergie und dadurch zu einer geringeren Sprödigkeit. Im Vergleich mit den Ausgangsmaterialien erhöht sich der Widerstand gegen Risswachstum bzw. verbessert sich die Temperaturwechselbeständigkeit. Ein weiterer Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Erstellung und Darstellung des Materials als FE-Gefüge durch ein repräsentatives Volumenelement. In Folge werden verschiedene Aspekte, wie z.B. der Spinell-Gehalt, hinsichtlich deren Auswirkungen betrachtet. Unter anderem wird auch der Einfluss unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten auf die resultierenden mechanischen Eigenschaften untersucht. Durch die Variation der Kontakteigenschaften zwischen den beiden Materialien und durch die Erweiterung um ein drittes Material, wird gezeigt, dass der Kontakteigenschaften von grundlegender Bedeutung sind.

AB - In Hochtemperaturprozessen, wie etwa der Stahl- oder Zementindustrie, werden feuerfeste Materialien benötigt, die chemischen, thermischen und mechanischen Belastungen standhalten müssen. Eine rasche Temperaturänderung, ein sogenannter Thermoshock, ruft in einer feuerfesten Ausmauerung Spannungen hervor, die zu einer Rissinitiation bzw. Rissausbreitung führen. Daher müssen die eingesetzten Materialien neben der Temperaturbeständigkeit auch einen größtmöglichen Widerstand gegen Rissentstehung und –ausbreitung aufweisen. Diese Eigenschaften können durch Kennwerte beschrieben werden, die einen Vergleich zwischen verschiedenen feuerfesten Keramiken ermöglichen. Ein wichtiger Vertreter ist die Sprödigkeitskennzahl B bzw. die charakteristische Länge lch des Materials. Diese Kennzahlen sind von der Zugfestigkeit, dem E-Modul und einer spezifischen Bruchenergie abhängig. In der vorliegenden Arbeit wird die sprödigkeitsreduzierende Eigenschaft von Mikrorissen in einem Magnesia-Spinell Gefüge untersucht. Zu diesem Zweck werden Simulationen durchgeführt die die Entstehung dieser Risse während des Produktionsprozesses nachbilden. Das verwendete finite Elemente Modell beschreibt dabei die Rissinitiierung in einem Gefügeausschnitt aufgrund ungleicher thermischer Wärmeausdehnungskoeffizienten von Magnesia und Spinell. Das so entstehende Mikrorissnetzwerk führt zu einer Herabsetzung der Festigkeit, zu einer Erhöhung der spezifischen Bruchenergie und dadurch zu einer geringeren Sprödigkeit. Im Vergleich mit den Ausgangsmaterialien erhöht sich der Widerstand gegen Risswachstum bzw. verbessert sich die Temperaturwechselbeständigkeit. Ein weiterer Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Erstellung und Darstellung des Materials als FE-Gefüge durch ein repräsentatives Volumenelement. In Folge werden verschiedene Aspekte, wie z.B. der Spinell-Gehalt, hinsichtlich deren Auswirkungen betrachtet. Unter anderem wird auch der Einfluss unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten auf die resultierenden mechanischen Eigenschaften untersucht. Durch die Variation der Kontakteigenschaften zwischen den beiden Materialien und durch die Erweiterung um ein drittes Material, wird gezeigt, dass der Kontakteigenschaften von grundlegender Bedeutung sind.

KW - Refractories

KW - Magnesia spinel

KW - FE-simulation

KW - FE-structure

KW - Cooling simulation

KW - Characteristic length

KW - Micromechanics

KW - Representative volume element

KW - Feuerfest

KW - Magnesia-Spinell

KW - FE-Simulation

KW - FE-Gefüge

KW - Abkühlsimulation

KW - Charakteristische Länge

KW - Mikromechanik

KW - Repräsentatives Volumselement

M3 - Dissertation

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