TY - THES

T1 - Kinetik der Gamma/Alpha-Umwandlung niedriglegierter Stähle Vergleich von Modellrechnungen und Versuchsergebnissen

AU - Werner, Robert Ewald

N1 - gesperrt bis null

PY - 2011

Y1 - 2011

N2 - In der vorliegenden Diplomarbeit erfolgt zunächst die Berechnung des Ortho- und des Paraequilibriums für ein quaternäres FeMnSiC-System unter Verwendung eines Untergittermodels (die substitutionellen Komponenten und die interstitiell gelösten Komponenten sitzen auf unterschiedlichen Gittern). Die aus der molaren Gibbsenergie der beiden Phasen errechneten chemischen Potentiale der vier Komponenten (Fe, Mn, Si und C) werden dann für die Berechnung der Kinetik der diffusiven Gamma/Alpha-Phasenumwandlung des Stahls 10MnSi7 benötigt. Mittels einer auf der sharp interface-Näherung (unendlich dünne Dicke der Grenzfläche) beruhenden Umwandlungsroutine erfolgt anschließend die Lösung des gekoppelten Problems der Grenzflächenbewegung mit endlicher Mobilität und der C-Bulkdiffusion während der Phasenumwandlung. Als Eingabeparameter der in Fortran implementierten Kinetikroutine dienen das Temperaturregime, die ursprüngliche Austenitkorngröße, die chemische Zusammensetzung des Stahls 10MnSi7, der Diffusionskoeffizient des Kohlenstoffs im Austenit und als Anpassungsparameter die endliche effektive Mobilität der Phasengrenzfläche. Die Berechnungen basieren auf der Annahme immobiler substitutioneller Komponenten in den Bulkphasen, d.h., dass die molaren Verhältnisse Fe/Mn und Fe/Si während der gesamten Umwandlung konstant bleiben und in beiden Phasen gleich groß sind. Um das diffusive Umwandlungsverhalten auch experimentell zu erfassen, werden Dilatometerversuche mit der thermomechanischen Prüfmaschine Gleeble 3800 durchgeführt, wobei das isotherme Umwandlungsverhalten dieser Stahlsorte an zylindrischen Proben bei Temperaturen zwischen 705 °C und 765 °C untersucht wird. Der Vergleich der Resultate aus Experiment und Simulation lässt den Schluss zu, dass die Kinetik der Gamma/Alpha-Umwandlung im betrachteten Temperaturbereich mit Hilfe der Umwandlungsroutine vernünftig beschreibbar ist, wenn als Wachstumsgeometrie eine nach innen fortschreitende Kugelschale gewählt wird. Als vereinfachende Annahme werden Diffusionsprozesse an der Phasengrenzfläche durch eine effektive Mobilität als Anpassungsparameter berücksichtigt. Man stellt fest, dass für die in dieser Diplomarbeit untersuchte Stahlzusammensetzung die Diffusionsprozesse in der Phasengrenzfläche nur für die substitutionellen Komponenten (Mn und Si) und nicht für den interstitiell gelösten Kohlenstoff von Bedeutung ist. Dies kann mit der dimensionslosen Péclet-Zahl gezeigt werden, die eine Abschätzung für den Einfluss der Diffusionsprozesse auf die Umwandlungskinetik darstellt.

AB - In der vorliegenden Diplomarbeit erfolgt zunächst die Berechnung des Ortho- und des Paraequilibriums für ein quaternäres FeMnSiC-System unter Verwendung eines Untergittermodels (die substitutionellen Komponenten und die interstitiell gelösten Komponenten sitzen auf unterschiedlichen Gittern). Die aus der molaren Gibbsenergie der beiden Phasen errechneten chemischen Potentiale der vier Komponenten (Fe, Mn, Si und C) werden dann für die Berechnung der Kinetik der diffusiven Gamma/Alpha-Phasenumwandlung des Stahls 10MnSi7 benötigt. Mittels einer auf der sharp interface-Näherung (unendlich dünne Dicke der Grenzfläche) beruhenden Umwandlungsroutine erfolgt anschließend die Lösung des gekoppelten Problems der Grenzflächenbewegung mit endlicher Mobilität und der C-Bulkdiffusion während der Phasenumwandlung. Als Eingabeparameter der in Fortran implementierten Kinetikroutine dienen das Temperaturregime, die ursprüngliche Austenitkorngröße, die chemische Zusammensetzung des Stahls 10MnSi7, der Diffusionskoeffizient des Kohlenstoffs im Austenit und als Anpassungsparameter die endliche effektive Mobilität der Phasengrenzfläche. Die Berechnungen basieren auf der Annahme immobiler substitutioneller Komponenten in den Bulkphasen, d.h., dass die molaren Verhältnisse Fe/Mn und Fe/Si während der gesamten Umwandlung konstant bleiben und in beiden Phasen gleich groß sind. Um das diffusive Umwandlungsverhalten auch experimentell zu erfassen, werden Dilatometerversuche mit der thermomechanischen Prüfmaschine Gleeble 3800 durchgeführt, wobei das isotherme Umwandlungsverhalten dieser Stahlsorte an zylindrischen Proben bei Temperaturen zwischen 705 °C und 765 °C untersucht wird. Der Vergleich der Resultate aus Experiment und Simulation lässt den Schluss zu, dass die Kinetik der Gamma/Alpha-Umwandlung im betrachteten Temperaturbereich mit Hilfe der Umwandlungsroutine vernünftig beschreibbar ist, wenn als Wachstumsgeometrie eine nach innen fortschreitende Kugelschale gewählt wird. Als vereinfachende Annahme werden Diffusionsprozesse an der Phasengrenzfläche durch eine effektive Mobilität als Anpassungsparameter berücksichtigt. Man stellt fest, dass für die in dieser Diplomarbeit untersuchte Stahlzusammensetzung die Diffusionsprozesse in der Phasengrenzfläche nur für die substitutionellen Komponenten (Mn und Si) und nicht für den interstitiell gelösten Kohlenstoff von Bedeutung ist. Dies kann mit der dimensionslosen Péclet-Zahl gezeigt werden, die eine Abschätzung für den Einfluss der Diffusionsprozesse auf die Umwandlungskinetik darstellt.

KW - Theorie und Modellierung

KW - Ferrit

KW - Austenit

KW - niedrig-legierte Stähle

KW - Phasenumwandlung

KW - Diffusion

KW - Thermodynamik

KW - Theory and modeling

KW - ferrite

KW - austenite

KW - low-alloy steels

KW - phase transformation

KW - diffusion

KW - thermodynamics

M3 - Diplomarbeit

ER -