Bruno Buchmayr

Scheil-Gulliver simulation with partial redistribution of fast diffusers and simultaneous solid-solid phase transformations

Abstract A numerical procedure for the simulation of solidification and micro-segregation is presented. The iterative solution algorithm is based on the classical Scheil – Gulliver model; however, the new algorithm allows taking into account partial redistribution of fast diffusing elements and solid – solid phase transformations, such as the peritectic reaction in low-carbon steels. It is shown that, especially in interstitial/substitutional alloys such as steels, simulations performed with the new algorithm give considerably different predictions as compared to simulations carried out with the classical Scheil – Gulliver procedure. The new procedure is described in detail and the results are validated on experimental data, i. e. micro-segregation measurements, the determination of the brittle temperature range for hot-cracking and experimental data on the specific heat capacity during solidification.

Simulation of Rod Rolling to Improve Cold Heading Qualities

For the optimization of the processing conditions and for the description of the metallurgical phenomena involved during rod rolling and cooling at the Stelmor conve y r, a microstructural based process model called CAROD has been developed. T riggered by the temperature history from the reheating furnace to the coiling, defor mation processes like recrystallization, austenite grain size development and transforma ti n kinetics are described. Depending on steel grade, rolling schedule and other processing paramete rs, th final microstructure and mechanical properties are predicted. The model components were tes t d s parately using a Gleeble machine. The effects of the most significant influencing parameters, such as finishing rolling temperature, cooling strategy, rolling speed and others have be en determined. The model has been validated for a wide range of steel grades with a tensile strength between 370 and 1400 N/mm2. Special emphasis has been laid on the thermo-mechanical trea tment of cold heading qualities, which leads to a soft microstructure, whereby in many ca ses the subsequent soft annealing can be saved. The accuracy of the model is also sufficient to reduce the effort for final destructive materials testing. Experimental verifications by thermo vision, m easurements at the plant and by Gleeble simulation as well as fundamental studies of the propertyd termining processes have been performed. Introduction Microstructure based processing models are excellent tools to impr ve either the product properties or the process reliability. In this paper a microstructural model for rod rolling, called CAROD, is presented, which is used at VOEST ALPINE Austria Draht GmbH in Leoben. The main objectives for practical applications have been reduction of field trials, improved understanding of the effect of influencing processing parameters, adjustments of plant parameters for different grades, diameters and required properties. Focusing on the thermo-mechanical proc essing, rolling and cooling schedules can be designed either to increase or to reduce the final strength level after rolling as required for the practical usage. For the model structure and the modules for special phenomena involved, like static, dynamic recrystallization, phase transformati on and precipitation etc., fundamental approaches were used to ensure a broad flexibility and appli cability. The basis for the model development was a logical but simplified layout of the essenti al processes and their interactions, as shown in Figure 1, which need to be taken into account in or der t achieve the aforementioned objectives. For a given rod diameter and due to the fact, th t the chemical composition of the wire is prescribed by the final product requirements , the only adjustable parameters are the austenite grain size after rolling and the cooling rate a fter rolling. Materials Science Forum Online: 2003-01-15 ISSN: 1662-9752, Vols. 414-415, pp 377-384 doi:10.4028/www.scientific.net/MSF.414-415.377

Numerische Algorithmen und Computeralgebrasysteme

Zur computergestutzten Losung metallkundlicher und verarbeitungstechnologischer Probleme ist das Wissen uber numerische Algorithmen Voraussetzung. Grundlegende numerische Methoden, die haufig fur technische Problemstellungen benotigt werden, sind daher in Tabelle 2.1.1 zusammengefasst. Dabei ist hervorzuheben, dass die wichtigste Eigenschaft eines guten numerischen Verfahrens seine numerische Stabilitat ist. Einige Programmbeispiele werden im Abschnitt 2.6 gegeben.

Anwendungen im Bereich der Umformtechnik

Ziel des Umformens ist eine gezielte Anderung der geometrischen Form, wobei der Stoffzusammenhalt und die Masse erhalten bleiben. Bild 6.1.1 zeigt die Einteilung der Umformverfahren bezuglich ihres Spannungszustandes nach DIN 8582. In Bild 6.1.2 sind einige Umformprozesse schematisch dargestellt. Findet die Umformung unter der Rekristallisationstemperatur des zu verarbeiteten Werkstoffs statt, als Faustregel gilt: TRexx [K] ~ 0,4Tm [K], so spricht man von Kaltumformung, daruber von Warmumformung. In der industriellen Produktion hat sich die Unterteilung in Massiv- und Blechumformung weitgehend durchgesetzt.

Anwendungen im Bereich der Prozessoptimierung

Systematisches und qualitatsbewusstes Vorgehen ist insbesondere in der Phase der Produktentwicklung notwendig, da bereits hier ein Grosteil der Fehler oder Qualitatsmangel initiiert werden und die Fehlerbehebung in einer spateren Phase mit hohen Kosten verbunden ist, s. Bild 9.1.1. Drastisch gesagt: Fehler vermeiden ist besser als Fehler beheben! Um die Qualitat bereits in einer fruhen Phase sicherzustellen, wurden spezielle Methoden zur praventiven Qualitatssicherung (QS) entwickelt. Eine Ubersicht der ublicherweise angewandten QS-Methoden zeigt Bild 9.1.2. Besondere Bedeutung kommt hierbei der QFD-Methode zu, da sie eine ganzheitliche Qualitatsplanung ermoglicht. Die genannten Methoden werden im Weiteren kurz beschrieben.

Berechnung instationärer Temperaturfelder

Nachdem die wesentlichen werkstoffkundlichen Vorgange thermisch aktiviert ablaufen, ist die Kenntnis der Temperatur-Zeit-Geschichte in jedem Ort einer Komponente von zentraler Bedeutung. Dies gilt insbesondere fur den gesamten Bereich der Warmebehandlungsverfahren, fur Warmumform-, Gies- und Schweisprozesse. Mit dem T-t-Verlauf wird die Kinetik samtlicher diffusionskontrollierter mikrostruktureller Vorgange gesteuert.

Einführung in die werkstofftechnische Modellierung

Fur die Entwicklung von Konstruktionswerkstoffen unter Berucksichtigung der Herstell- und Verarbeitungstechnologien spielt das mathematische Modellieren der eigenschaftsbestimmenden Vorgange eine besondere Rolle. Basierend auf mechanismengerechten Ansatzen konnen die Gefugeentwicklung und die resultierenden Eigenschaften unter Berucksichtigung der Verarbeitungseinflusse beschrieben werden. Im Folgenden werden die Grundprinzipien und das enorme Potenzial dieser Methode fur die Praxis naher beschrieben.

Anwendungen im Bereich Gießen und Erstarren

Die Eigenschaften eines Gussteils werden bestimmt vom Aufbau des Gefuges, das sich bei der Erstarrung der Schmelze in der Form einstellt. Die Art des Gefuges ist abhangig von der Legierung, dem gewahlten Giesverfahren, der Gussteilform, der Art der Formfullung, vom Formfullungsverhalten der Schmelze und von den physikalischen Gesetzmasigkeiten der Kristallisation. Als Zielgrosen werden bei Erstarrung betrachtet: Gefugefeinheit (Korngrose, primarer und sekundarer Dendritenarmabstand) Erstarrungsmorphologie (planar, zellular, dendritisch, globulitisch) Erstarrungszeit Gussfehler (Lunker, Porositat, Warmrisse) Makro- und Mikroseigerungen Gefugeaufbau (Phasenmengen, Form, Grose und Verteilung) Spannungszustande nach dem Abguss

Anwendungen im Bereich Bauteilauslegung und Werkstoffauswahl

Die Dimensionierung eines Bauteils erfolgt auf der Grundlage von Tragfahigkeitsnachweisen, am haufigsten mit dem Nennspannungsnachweis. Er beruht auf der Gegenuberstellung der aus der Belastung ableitbaren Nennspannung σN und einer vom Werkstoffverhalten bestimmten zulassigen Spannung σ zul in der Form