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

ER -