Modellierung des Wachstums von unterem Bainit

Die bainitische Phasenumwandlung in Stahl ist eine der kompliziertesten und am wenigsten untersuchten Phasenumwandlungen. Bainit bildet sich bei der Abkühlung aus dem Austenit bei Temperaturen zwischen der des Perlits und des Martensits und hat hervorragende Materialeigenschaften. Es besteht hauptsächlich aus bainitischem Ferrit und Carbiden, kann darüber hinaus aber auch Restaustenit beinhalten.

Ein am LTM entwickeltes Multiphasenfeldmodell mit gekoppelter Diffusion ist in der Lage, das räumliche und zeitliche Wachstum von unterem Bainit zu simulieren. Insbesondere wird dabei die Umwandlung vom Austenit zum bainitischen Ferrit, die Diffusion von Kohlenstoff innerhalb dieser neuen Phase und die Ausscheidung von Carbiden simuliert. Dazu wird ein Modell auf Basis von generalisierten Kräften formuliert. Ordnungsparameter für jede Phase (Bainitischer Ferrit, Austenit, Carbid) und ein Kohlenstoffkonzentrationsfeld werden eingeführt. Das Konzentrationsfeld soll die Separierung des Kohlenstoffs nach der Umwandlung vom Austenit zum bainitischen Ferrit zeigen. Dazu wird eine Cahn-Hilliard-Gleichung verwendet, die ebenfalls auf Basis von generalisierten Kräften hergeleitet wird. Die generalisierten Kräfte und Spannungen leisten Arbeit mit den Zeitableitungen der Ordnungsparameter, der Kohlenstoffkonzentration und deren Gradienten.

Das System nichtlinearer partieller Differentialgleichungen wird mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode und einem Newton-Verfahren gelöst. Die Abbildungen zeigen beispielhafte Ergebnisse unserer Simulation. Mehr Details befinden sich in unseren Veröffentlichungen.

Veröffentlichungen

Düsing, M. und Mahnken, R. Simulation of lower bainitic transformation with the phase-field method considering carbide formation. Computational Materials Science 111, 91–100 (2016), doi:10.1016/j.commatsci.2015.08.043

Düsing, M. und Mahnken, R. A phase-field approach for lower bainitic transformation coupled with carbon diffusion. Conference Proceedings of the YIC GACM 2015, 76-79 (2015)

Düsing, M. und Mahnken, R. A coupled phase-field – Cahn-Hilliard model for lower bainitic transformation. Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics 15. 285 – 286 (2015), doi: 10.1002/pamm.201510133

Förderinstitution

keine