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01.01.2007

Für neue Herausforderungen im Bereich Werkstoffentwicklung gut aufgestellt

Werkstoffmodellierung als Wegweiser

Bei der Entwicklung maßgeschneiderter Werkstoffe für verschiedenste Anwendungen stößt man immer häufiger an Grenzen. Das kann sich zum Beispiel darin äußern, dass zwar die hohe Festigkeitsanforderung eines Stahles durch geschickte Auswahl der Legierungselemente und/oder entsprechende Prozessführung erreicht wird, die Zähigkeit jedoch nicht ausreicht. Bei der Herstellung hochwarmfester Stähle für den Einsatz als Rohrwerkstoffe in modernen Kraftwerken beispielsweise stehen Forscher aufgrund der angestrebten höheren Wirkungsgrade vor der Herausforderung, die Einsatztemperatur zu erhöhen. Dabei kommt es nicht nur auf die augenblickliche Kombination verschiedener Eigenschaften an, sondern auch auf die Kriechfestigkeit und eine entsprechende Langzeitstabilität der Mikrostruktur.

Zusätzlich zu den technischen Randbedingungen können sich ökonomische Gesichtspunkte einer Werkstoffentwicklung unter Umständen in Variationen bereits bewährter Konzepte niederschlagen. Im Fall eines hohen Molybdänpreises etwa stellt sich automatisch die Frage nach einem kostengünstigen Substitutions-Legierungselement - und das bei gleich bleibend guten Stahleigenschaften.

Die Mikrostruktur eines Stahles, also zum Beispiel die Verteilung von Ferritkörnern und verfestigenden Karbiden, bestimmt weitestgehend seine Eigenschaften. Daher geht Werkstoffentwicklung mit einer gezielten und vorhersagbaren Mikrostruktureinstellung einher. Solche Vorhersagen lassen sich nur durch eine Kopplung der klassischen Betrachtungsweisen mit modernen Methoden wie der computerunterstützten Thermodynamik erreichen. Dabei werden Gleichgewichtszustände oder auch die Gefügeentwicklung in hochkomplexen Legierungssystemen mit numerischen Methoden berechnet.

Das SZMF-Werkstoffmodellierungskonzept stützt sich hierbei auf die Softwarepakete Thermo-Calc und DICTRA. Mittels Thermo-Calc werden Phasengleichgewichte unter Verwendung spezieller thermodynamischer Datenbanken berechnet. Die hinterlegten thermodynamischen Daten stützen sich auf experimentelle Untersuchungen an Stählen, die in zahlreichen so genannten Assessments optimiert wurden. Die Simulation diffusionskontrollierter Phasenumwandlungen mittels DICTRA basiert auf dem Prinzip des lokalen Gleichgewichts und greift bei jedem Rechenschritt auf die thermodynamische Datenbank zu. Die bei Stahl sehr wichtige Umwandlung vom Austenit in den Ferrit bei der Abkühlung lässt sich, was die Dauer angeht, mittels DICTRA bis zur vollständigen Umwandlung simulieren. Dabei wird immer die Größe der Ausscheidung gegenüber der Zeit bzw. Temperatur im Fall der kontinuierlichen Abkühlung betrachtet. Wie bei dem in der Abbildung unten dargestellten Beispiel wird die Vorhersage des Umwandlungsverhaltens auch für unrealistische Parameter - wie beispielsweise extrem lange Wärmebehandlungszeiten - durchgeführt, um das Potenzial und die Wirkung der eingesetzten Legierungselemente zu verstehen. Ein zu hoher Mn-Gehalt kann etwa zu einer starken Verzögerung der Ferritbildung führen. Des Weiteren lassen sich eine Vielzahl von Gefügeumwandlungen, wie Karbid- und Karbonitridausscheidungen, sowie Auflösungs- und Vergröberungsprozesse simulieren. Die Ergebnisse werden anschließend von den SZMF-Werkstoffwissenschaftlern mit Blick auf die zu erwartenden Stahleigenschaften ausgewertet.

Sehr komplexes Material

Eine Modellierung ist immer nur so gut, wie der Operator die reale Situation in ein Modell übersetzt. Und der Werkstoff Stahl zählt nach wie vor zu den komplexesten Materialien überhaupt. Daher wird von einer Werkstoffmodellierung nicht erwartet, dass die Natur zu 100 % nachempfunden wird, sondern dass wesentliche Entwicklungsrichtungen mit den entsprechenden Parametern aufgezeigt werden. Dies kann zum Beispiel die Aussage beinhalten, dass x Mo durch y W ersetzt werden kann, wobei die Wärmebehandlungstemperatur und -dauer eventuell erhöht werden müssen, um die gewünschten Eigenschaften einzustellen.

Das anschließende Experiment und natürlich auch der Betriebsversuch zur Verifikation der berechneten Vorhersagen sind nach wie vor unerlässlich. Das heißt letztlich, dass eine fundierte Werkstoffmodellierung im Wesentlichen dazu dient, den Rahmen von Experimenten genauer zu definieren und diese im Vergleich zu früheren Werkstoffentwicklungen zu reduzieren. Und das ist nicht zuletzt für die Kunden von großem Vorteil.

Künftig wird das Modellierungskonzept um die Bereiche Schlackenmetallurgie, Erstarrungsprozesse, Schweißen und thermomechanische Behandlung mikrolegierter Stähle abteilungsübergreifend mit den Abteilungen Metallurgie, Werkstoffentwicklung, Fügetechnik, Werkstoffentwicklung sowie Strukturmechanik und Umformtechnik erweitert. Das entsprechende Konzept wird unseren Kunden in naher Zukunft vorgestellt.

Dr. André Schneider
aus "SZMF aktuell" Ausgabe 2/2006