SIMHEAT_Wheel_YieldStress_simulationAluminium ist ein strapazierfähiges Leichtmaterial, das sich einfach gießen oder formen lässt. Erst durch eine Wärmebehandlung erhält es jedoch die zur industriellen Nutzung erforderlichen mechanischen Eigenschaften.

Die Finite-Elemente-Software SIMHEAT® simuliert das Abschrecken und die künstliche Alterung von Aluminium dank des Einsatzes einer Abschreckfaktoranalyse (QFA) und des Shercliff-Ashby Modells. Diese Modelle sagen die lokalen physikalischen und mechanischen Eigenschaften in Aluminiumbauteilen als Reaktion auf Ausscheidungshärtung an bekannten Al-Legierungen der 2xxx, 6xxx und 7xxx Serien vorher.

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Aluminium-Wärmebehandlungszyklen

Die Wärmebehandlung von Aluminium beruht in erster Linie auf Ausscheidungs-mechanismen. Wie in dem folgenden Diagramm dargestellt, unterscheidet man dabei drei klassische Stufen.

SIMHEAT_alu_heat_treatment_cycles

Aluminium-Wärmebehandlungszyklus
 

Lösungsglühen von Aluminiumlegierungen

Die Phase des Lösungsglühens zielt darauf ab, Ausfällungen in der Matrix des Materials zu eliminieren. Diese komplexe Phase wird noch nicht simuliert. Stattdessen wird eine Hypothese aufgestellt, wonach die Materialeigenschaften in einen idealen Zustand zurückinitialisiert werden.

 

Abschrecken von Aluminiumlegierungen

Die Abschreckphase beschleunigt die Abkühlung, um die Bildung einer groben, nicht härtenden Ausscheidung zu vermeiden, und die solide Lösung auf niedrigen Temperaturen zu halten.

Bei SIMHEAT® wird das Abschrecken durch zwei Modelle repräsentiert:

  • Ein phänomenologisches Modell basierend auf der Berechnung eines Abschreckfaktors, QFA, der die Wirksamkeit des Abschreckens misst.
  • Ein thermomechanisches Modell, welches Aufschluss über Eigenspannungen gibt und mögliche Risse vorhersagt, die auf das Abschrecken zurückzuführen sind.

Der Abschreckfaktor beziffert die Fähigkeit einer Aluminiumlegierung, während des Abschreckens auszuhärten. Falls das Abschrecken energisch genug ist, so lautet dieser Faktor 1, und die Legierung weist die maximale Aushärtungsfähigkeit auf. Sollte das Abschrecken im Gegensatz dazu langsam ausfallen, so lautet dieser Faktor 0 und die Fähigkeit der Legierung auszuhärten ist gleich Null.

SIMHEAT_alu_QFA

Wobei σ die Härte darstellt:

QFA=1 => σ - σmax : fast quenching
&
QFA=1 => σ - σmin : low quenching

Dabei gilt:
σmin = Härte von reinem Aluminium (1xxx H2 oder H4): ~30 HV
σmax = maximale auf der Jominy-Kennlinie erhaltene Härte: 175 HV

Der QFA Faktor hängt von der Menge an beim Abschrecken nicht transformierten gelösten Stoffen ab. In der Beschreibung einer anisothermen Kühlung ist der QFA-Faktor gegeben durch:

SIMHEAT_alu_QFA2

Die Parameter K2, K3, K4, K5 und n werden anhand des Jominy-Tests definiert.

Dabei gilt:

𝐾2 = Konstante in Bezug auf den Kehrwert der Nummern der Keimbildungsstellen
𝐾3 = erforderliche Energie zur Bildung eines Zellkerns (J.mol-1)
𝐾4 = Homogenisierungstemperatur
𝐾5 = Diffusionsaktivierungsenergie
n = 1(Die Härte verändert sich linear entsprechend der Menge an verfügbaren gelösten Stoffen)

SIMHEAT_alu_vickers_hardnessJominy-Test zur HärtemessungMessung der Vickers-Härte in Abhängigkeit vom Abstand

 

Künstliche Alterung von Aluminiumlegierungen

Nach dem Abschrecken erfolgt eine künstliche Alterung auf Temperaturen, die sich normalerweise zwischen 100 und 200 °C bewegen. Ziel ist dabei die Kontrolle der Ausscheidungen, die das Metall härten. Künstliche Alterung wird anhand der Shercliff-Ashby Methode charakterisiert und simuliert, welche festlegt, dass die endgültige mechanische Festigkeit, wie nachfolgend aufgezeigt, der Summe aus der Festigkeit von reinem Aluminium (σmin), der Härtung aufgrund der Bildung einer soliden Lösung (Δσss), und der Härtung aufgrund von Zweitphasen-Ausscheidungen (Δσppt) entspricht:

SIMHEAT_alu_hardness

 

Verbindung von QFA & Shercliff-Ashby Modellen

Durch Verbinden beider, der QFA & Shercliff-Ashby Modelle ist es möglich, eine aufeinanderfolgende Abschreck- und Alterungsbehandlung einer Aluminiumlegierung vollständig zu simulieren.

SIMHEAT_alu_shercliff

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Wettbewerbsstarke Merkmale von SIMHEAT® für die Aluminium-Wärmebehandlung

  • Künstliche Alterung basierend auf dem Shercliff-Ashby Modell für wärmehärtbare Aluminiumlegierungen;
  • Ein auf Aluminiumlegierungen anwendbares Verzerrungsmodell;
  • Materialsensorverfolgung zur Darstellung von Eigenschaften während der Behandlung;
  • Nach der künstlichen Alterung werden die Beiträge von Ausscheidung und soliden Lösungen zur Härtung identifiziert;
  • Alle Ergebnisse: Temperatur, Abschreckeffizienz, HV-HRC-Härte, Eigenspannung, Fließspannung.

 

Fallstudie 1: 

Eigenspannung und Maßänderungen einer stranggepressten 2024 L-Form

Die SIMHEAT® Software ist ebenso in der Lage, eine Eigenspannungsverteilung und die Amplitude des durch die Schritte des Abschreckens und künstlichen Alterns bewirkten Verzerrungsprofils darzustellen.

Die in Abbildung 1 dargestellten effektiven von Mises Spannungswerte finden sich innerhalb des Bereichs annehmbarer Toleranzen, wie sie beim herkömmlichen Abschrecken (Wu CK. Vorhersagen der Reaktion von Aluminium-Gusslegierungen auf die Wärmebehandlung. 2012) angetroffen werden, zwischen 0 MPa und 140 MPa wieder.

 

SIMHEAT_alu_Lshape_von_mises

Abbildung 1: Von Mises Spannung (MPa) für 2024 L-Form (a) nach dem Abschrecken und (b) nach dem Abschrecken und künstlichen Altern.

 

Spannungen tendieren dazu, während des Abschreckens aufgrund des hohen Wärmegefälles stark anzusteigen, und lösen sich nach dem Altern bei 190°C teilweise auf die Hälfte ihrer Höchstwerte. Dabei kann festgestellt werden, dass die Wirkung des Abfalls von Eigenspannungen, die wahrscheinlich dabei helfen würden, die Mikrostruktur nach dem Altern zu entspannen, nicht berücksichtigt wird.

In Abbildung 2(a) wird die nach dem Abschrecken erhaltene effektive Beanspruchung dargestellt, und es kann die plastische Verformung aufgrund der Abschreckung beobachtet werden. Mit SIMHEAT® können die plastische Verformung hervorgehoben, und das Ergebnis der Verzerrung durch Anwenden eines multiplikativen Faktors auf das Ausmaß der Verschiebung hervorgehoben werden. Somit wird leicht verständlich, wo die Verzerrungen am größten sind, und man kann Vergleiche mit der nicht verformten Gestalt anstellen.

Abbildung 2(b) zeigt diese numerische Funktionalität auf; es ist einfacher zu verstehen, wie sich das L-förmige Werkstück aufgrund der in dieser Studie angewandten Sprühnebel-Wasservergütung biegt.

SIMHEAT_alu_Lshape_strain

Abbildung 2: (a) Simulation einer Schmiedevergütung für den 2024 L-förmigen (a) Plot der gleichwertigen Beanspruchung nach der Vergütung und (b) Verzerrung aufgrund der 20 Mal vergrößerten Vergütung. Die L-Form wird in einer Draufsicht dargestellt, die Verzerrung des dünnen Abschnitts ist dabei besonders gut zu sehen.

 

Fallstudie 2: 

Simulation der Abschreckung und künstlichen Alterung einer 6061 Aluminium-Radfelge

Diese Animation zeigt die Entwicklung des Abschreckfaktors nach dem Abschrecken und künstlichen Altern einer Radfelge. Digitale Simulation gewährleistet die mechanischen Leistungen Ihrer Bauteile und die Beherrschung der Abmessungen Ihrer Produkte durch Minimierung von Verzerrungen.

 

SIMHEAT_alu_quenching_artificial_aging

Entwicklung des Abschreckfaktors nach der Abschreckung und künstlichen Alterung einer 6061 Aluminium-Radfelge

 

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