Numerische Simulation des Erstarrungsgefüges

Numerische Simulation des Erstarrungsgefüges
multikomponentiger Aluminiumlegierungen
Von der Fakultät für Bergbau, Hüttenwesen und Geowissenschaften
der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Ingenieurwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von Diplom Ingenieur
Thorsten Hofmeister
aus Kassel
Berichter:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. P.R. Sahm
Univ.-Prof. Dr.-Ing. A. Bührig-Polaczek
Tag der mündlichen Prüfung: 23. August 2002
Gießerei-Institut: Forschung, Entwicklung, Ergebnisse
Band 36
Thorsten Hofmeister
Numerische Simulation des Erstarrungsgefüges
multikomponentiger Aluminiumlegierungen
.
D 82 (Diss. RWTH Aachen)
Shaker Verlag
Aachen 2002
Die Deutsche Bibliothek
-
CIP-Einheitsaufnahme
Hofmeister, Thorsten:
Numerische Simulation des Erstarrungsgefüges multikomponentiger
Aluminiumlegierungen / Thorsten Hofmeister.
Aachen : Shaker, 2002
(Gießerei-Institut: Forschung, Entwicklung, Ergebnisse ; Bd. 36)
Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2002
ISBN 3-8322-0986-7
.
Copyright Shaker Verlag 2002
Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen
oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten.
Printed in Germany.
ISBN 3-8322-0986-7
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Danksagung
Die vorliegende Arbeit entstand in den Jahren 1998 bis 2002 während meiner Tätigkeit als
wissenschaftlicher Mitarbeiter am Gießerei-Institut der RWTH Aachen im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 370 "Integrale Werkstoffmodellierung" der Deutschen Forschungsgemeinschaft.
Herrn Professor Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Peter R. Sahm gilt mein Dank für seine Förderung und
Unterstützung meiner Tätigkeit am Gießerei-Institut. Herrn Dr. rer. nat. habil. Andreas Ludwig
danke ich in besonderem Maße für die fachliche Unterstützung und die fortwährende Hilfe
bei der Erstellung dieser Arbeit und Herrn Professor Dr.-Ing. Andreas Bührig-Polaczek für die
Übernahme des Korreferates.
Weiterhin möchte ich mich bei allen Mitarbeitern des Gießerei-Institutes und von ACCESS
bedanken. Besonders hervorheben möchte ich dabei meine Kollegen in der Rechnergruppe.
Neben Andreas Ludwig sind dies Britta Nestler, Menghuai Wu, Georg Ehlen, Jürgen Wolf,
Klaus Greven und insbesondere Björn Pustal. Elke Scharbergen danke ich für die hervorragende metallurgische Arbeit und stellvertretend für die gesamte mechanische Werkstatt
Herrn Dirk Freudenberg für die schnelle und zuverlässige Werkzeugherstellung. Bei ACCESS möchte ich mich bei den Herren Andre Schievenbusch und Michael Mattes für die
metallurgische Analyse, bei Herrn Roland Salber für die Werkzeugvernetzung und stellvertretend für die Simulationsgruppe bei Herrn Fredy Hediger für die Bereitstellung der Programme CASTS 12.6 und ThermoCalc und die sehr große Hilfsbereitschaft bedanken.
Besonders erwähnt werden sollte auch das Team der Systembetreuer Peter Otten, Angela
Goldbach, Joachim Wittich und Martin Feller und meine "Hiwis" Frank Otremba, Claudia Conee und Markus Schroers. Sie waren immer für Fragen offen und haben durch Ihre Einsatzbereitschaft und Initiative meine Arbeit sehr erleichtert.
Schließlich sei hier auch dem Sekretariat noch einmal für die freundschaftliche und gute Zusammenarbeit gedankt.
Meinen Eltern und meiner Familie möchte ich an dieser Stelle dafür danken, dass sie mich in
jedem Schritt meines Werdeganges tatkräftig unterstützt haben und mir mit Rat und Zuversicht zur Seite standen. Auch sie haben großen Anteil am Gelingen dieser Arbeit.
Inhaltsverzeichnis
0 Kurzfassung........................................................................................................
I
0.1 Einleitung und Zielsetzung................................................................................ I
0.2 Das Erstarrungsmodell..................................................................................... II
0.3 Einbindung in das FEM Programm CASTS...................................................... III
0.4 Aufbau des Mikrostrukturmodells.....................................................................
0.5 Experimenteller Aufbau....................................................................................
0.6 Ergebnisdarstellung.......................................................................................
V
X
XII
0.7 Bewertung und Ausblick................................................................................ XXI
1 Einleitung............................................................................................................
1
1.1 Motivation.........................................................................................................
1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise....................................................................
1
2
2 Grundlagen der Erstarrung...............................................................................
3
2.1 Thermodynamische Grundlagen......................................................................
3
2.1.1 Thermodynamik des Gleichgewichts........................................................
2.1.2 Korrektur des Gleichgewichts-Phasendiagramms....................................
2.1.3 Grundgleichungen diffusiver Erstarrungsvorgänge................................
2.2 Seigerungsphänomene und Erstarrungsmodelle...........................................
2.2.1 Makroseigerungsmodelle der einphasigen Erstarrung...........................
2.2.2 Mikroseigerungsmodelle........................................................................
2.2.3 Vergröberung und Dendritenarmabstand...............................................
2.2.4 Eutektische Erstarrung und das Modell nach Chen und Chang.............
3
6
10
15
17
22
24
26
3 Simulationsmodelle.........................................................................................
29
3.1 Stand der Technik..........................................................................................
3.2 Theoretische Grundlagen der verwendeten Mikrostrukturmodelle................
3.2.1 Integrale Stoffmengenbilanzen...............................................................
3.2.2 Aufschmelzen an der Phasengrenzfläche..............................................
3.3 Makroprogramm und Implementierung des Mikromodells.............................
3.3.1 Temperatur.............................................................................................
3.3.2 Eigenspannungen und Luftspaltbildung.................................................
3.3.3 Simulation des Erstarrungsgefüges.......................................................
3.4 Programmstruktur und Programmausarbeitung.............................................
3.4.1 Programmstruktur...................................................................................
3.4.2 Programmausarbeitung..........................................................................
29
31
33
36
39
39
40
41
46
46
52
Inhaltsverzeichnis
4 Simulationsergebnisse....................................................................................
56
4.1 Vernetzung und Preprocessing...................................................................... 56
4.2 System Al-Cu-Mg............................................................................................ 59
4.2.1 Phasendiagramm.................................................................................... 59
4.2.2 Temperaturverteilung..............................................................................
4.2.3 Erstarrungsgefüge und Konzentrationsprofile.........................................
60
63
4.3 System Al-Si-Mg.............................................................................................
66
4.3.1 Phasendiagramm....................................................................................
4.3.2 Temperaturverteilung..............................................................................
66
66
4.3.3 Erstarrungsgefüge und Konzentrationsprofile.........................................
4.4 System Al-Si-Cu.............................................................................................
69
71
4.4.1 Phasendiagramm....................................................................................
4.4.2 Temperaturverteilung..............................................................................
4.4.3 Erstarrungsgefüge und Konzentrationsprofile........................................
71
71
74
5 Experimentelle Arbeiten..................................................................................
76
5.1 Bauteilbeschreibung.......................................................................................
5.2 Versuchsaufbau..............................................................................................
5.2.1 Gießtechnik.............................................................................................
5.2.2 Metallographische Auswertung...............................................................
5.3 Formfüllung.....................................................................................................
5.4 Temperaturverläufe........................................................................................
5.5 Legierungen und Gefügeauswertung.............................................................
5.5.1 Legierung AlCu4Mg................................................................................
5.5.2 Legierung AlSi7Mg03..............................................................................
5.5.3 Legierung AlSi9Cu3................................................................................
76
78
80
80
82
84
84
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89
6 Vergleich und Beurteilung..............................................................................
91
6.1 Temperaturverteilung...................................................................................... 91
6.2 Gefügeeigenschaften...................................................................................... 93
7 Bewertung und Ausblick.................................................................................
98
7.1 Erreichte Ziele................................................................................................. 98
7.2 Potential.......................................................................................................... 99
8 Legende der verwendeten Variablen und Indizes.......................................
101
9 Literaturverzeichnis.......................................................................................
103