Simulationsstudien zur Mikrostrukturausbildung beim Schweißprozess eines ferritischen Stahls

Inhaltsverzeichnis

• 1. Einleitung
  • 1.1. Motivation
  • 1.2. Vorgehensweise in dieser Arbeit
• 2. Grundlagen
  • 2.1. Elektronenstrahlschweißen
    • 2.1.1. Ablauf des Elektronenstrahlschweißens
    • 2.1.2. Mikrostrukturausbildung beim Elektronenstrahlschweißen von Stahl- und Eisenwerkstoffen
  • 2.2. Die Phasenfeldmethode
    • 2.2.1. Allgemeiner Fall für N Phasen
  • 2.3. Vereinfachende Annahmen des verwendeten Simulationsmodells
• 3. Simulationen zur Veränderung der Kornstruktur in der WEZ
  • 3.1. Veränderungen der Korn- und Gefügestruktur in der WEZ
  • 3.2. Kornstruktur in Abhängigkeit von τss bei konstanter Temperatur
    • 3.2.1. Auswertung der Studie durch den durchschnittlichen Korngrößenradius
  • 3.3. Veränderung der Kornstruktur in Abhängigkeit von τ in der WEZ
    • 3.3.1. Auswertung der Studie durch den durchschnittlichen Korngrößenradius
    • 3.3.2. Fazit
• 4. Beachtung von Nukleationserscheinungen in der Schweißnaht
  • 4.1. Vergleich erster Simulationsstudien mit experimentellen Daten
  • 4.2. Einschalten des Phasenfeldrauschens
    • 4.2.1. Parameterstudien zum Phasenfeldrauschen
    • 4.2.2. Fazit
• 5. Modellerstellung zur Beschreibung von Keimbildung bei unterkühlten Schmelzen
  • 5.1. Grundlagen der Keimbildung
  • 5.2. Erstellung des Modells in seinen Grundzügen
  • 5.3. Erste Simulationsergebnisse des neuen Modells
  • 5.4. Modellweiterentwicklung durch Implementierung der Temperaturabhängigkeit der Amplitude
    • 5.4.1. Fazit
• 6. Abschließende Simulationsstudien und Validierung der Ergebnisse
  • 6.1. Parameterstudien für unterschiedliche Funktionen der Amplitude
  • 6.2. Festlegung der Parameterwerte für weitere Simulationen
    • 6.2.1. Abschließende Simulationen und Vergleich mit experimentellen Daten
  • 6.3. Schlussfolgerungen
• 7. Zusammenfassung und Ausblick
  • 7.1. Zusammenfassung
  • 7.2. Ausblick
• A. Infile

Zielsetzung und Themenschwerpunkte

Die vorliegende Bachelorarbeit zielt darauf ab, die Mikrostrukturausbildung beim Elektronenstrahlschweißen eines ferritischen Stahls mittels Simulationsstudien zu untersuchen. Es werden sowohl die Kornvergröberungsprozesse in der Wärmeeinflusszone (WEZ) als auch die Keimbildung in der Schweißnaht modelliert und analysiert.

• Simulation der Kornvergröberung in der WEZ bei variierenden Temperaturen.
• Entwicklung und Implementierung eines Nukleationsmodells für die Schweißnaht.
• Validierung der Simulationsergebnisse durch Vergleich mit experimentellen Daten.
• Analyse der Abhängigkeit der Keimbildung von Parametern wie Temperatur, Amplitude und kinetischen Koeffizienten.
• Auswertung der WEZ-Breite und deren Abhängigkeit von der Temperaturverteilung.

Zusammenfassung der Kapitel

1. Einleitung: Dieses Kapitel führt in die Thematik ein und beschreibt die Motivation für die Arbeit, die Bedeutung der Mikrostrukturkenntnis im Schweißprozess und die Notwendigkeit computergestützter Simulationen. Es wird die Vorgehensweise der Arbeit skizziert und die drei Hauptteile der Untersuchung (WEZ-Simulation, Nukleationsmodellentwicklung und Validierung) vorgestellt.

2. Grundlagen: Das Kapitel erläutert die Grundlagen des Elektronenstrahlschweißens, detailliert den Ablauf des Prozesses und die resultierende Mikrostrukturausbildung in Stahl. Die Phasenfeldmethode, das zugrundeliegende Simulationsverfahren, wird umfassend beschrieben, inklusive der mathematischen Formulierung für N Phasen und der Vereinfachungen des verwendeten Modells. Die Modellierung der Temperaturverteilung und deren Approximation werden detailliert dargestellt.

3. Simulationen zur Veränderung der Kornstruktur in der WEZ: Dieses Kapitel präsentiert die Simulationsergebnisse der Kornvergröberung in der WEZ. Es werden zwei Studienreihen vorgestellt: eine mit konstanten Temperaturen zur Bestimmung der Temperaturgrenze für Vergröberungsprozesse und eine Studie zur Analyse der WEZ-Struktur in Abhängigkeit von der Temperaturverteilung entlang der Schweißnaht. Die Auswertung erfolgt mit dem Tool "meanradius", und die Ergebnisse werden umfassend diskutiert und mit experimentellen Daten verglichen, soweit verfügbar.

4. Beachtung von Nukleationserscheinungen in der Schweißnaht: Das Kapitel behandelt die Diskrepanz zwischen initialen Simulationsergebnissen und experimentellen Daten. Es wird untersucht, inwieweit das Phasenfeldrauschen zur Simulation von Keimbildungsprozessen geeignet ist. Die durchgeführten Parameterstudien zeigen jedoch, dass das Phasenfeldrauschen ungeeignet ist und somit die Notwendigkeit eines neuen Modells verdeutlicht.

5. Modellerstellung zur Beschreibung von Keimbildung bei unterkühlten Schmelzen: Hier wird das neu entwickelte Nukleationsmodell detailliert beschrieben. Die Grundlagen der Keimbildung werden erläutert, das Modell wird in seinen Grundzügen vorgestellt und die Implementierung des Codes wird erklärt. Erste Simulationsergebnisse und deren Auswertung mit Fokus auf die Parameter δ, ξ und der Amplitude werden präsentiert. Eine Weiterentwicklung durch eine temperaturabhängige Amplitude wird eingeführt und begründet.

6. Abschließende Simulationsstudien und Validierung der Ergebnisse: Dieses Kapitel beschreibt die abschließenden Simulationsstudien mit dem weiterentwickelten Modell. Es werden verschiedene Amplitudenfunktionen und Parameterkombinationen von δ und ξ getestet. Die Ergebnisse werden analysiert, um optimale Parameter für zukünftige 3D-Simulationen zu finden. Ein Vergleich mit experimentellen Daten erfolgt, um die Validität der Simulationsergebnisse zu überprüfen.

Schlüsselwörter

Elektronenstrahlschweißen, ferritischer Stahl, Wärmeeinflusszone (WEZ), Kornstruktur, Keimbildung, Phasenfeldmethode, Simulation, Nukleation, Phasenfeldrauschen, Temperaturverteilung, Modellentwicklung, Parameterstudie, Validierung, Mikrostrukturausbildung.

Häufig gestellte Fragen zur Bachelorarbeit: Simulation der Mikrostrukturausbildung beim Elektronenstrahlschweißen

Was ist das Thema der Bachelorarbeit?

Die Bachelorarbeit untersucht die Mikrostrukturausbildung beim Elektronenstrahlschweißen eines ferritischen Stahls mittels computergestützter Simulationen. Der Fokus liegt auf der Modellierung und Analyse der Kornvergröberung in der Wärmeeinflusszone (WEZ) sowie der Keimbildung in der Schweißnaht.

Welche Methoden wurden verwendet?

Die Arbeit nutzt die Phasenfeldmethode zur Simulation der Mikrostruktur. Es wurden umfangreiche Parameterstudien durchgeführt, um die Abhängigkeit der Kornstruktur und Keimbildung von verschiedenen Parametern wie Temperatur, Zeit und kinetischen Koeffizienten zu untersuchen. Die Simulationsergebnisse wurden mit experimentellen Daten verglichen, um die Validität des Modells zu überprüfen.

Welche Simulationsaspekte werden behandelt?

Die Arbeit umfasst drei Hauptteile: (1) Simulation der Kornvergröberung in der WEZ unter variierenden Temperaturbedingungen; (2) Entwicklung und Implementierung eines Nukleationsmodells für die Schweißnaht; und (3) Validierung der Simulationsergebnisse durch Vergleich mit experimentellen Daten. Dabei wird auch die Auswirkung von Phasenfeldrauschen auf die Simulation der Keimbildung untersucht.

Wie ist die Arbeit strukturiert?

Die Arbeit ist in sieben Kapitel gegliedert, beginnend mit einer Einleitung und der Beschreibung der Methodik. Es folgen Kapitel zu den Grundlagen des Elektronenstrahlschweißens und der Phasenfeldmethode. Die Simulationsergebnisse zur Kornvergröberung in der WEZ und die Entwicklung des Nukleationsmodells werden in separaten Kapiteln detailliert beschrieben. Ein Kapitel widmet sich der Validierung der Simulationsergebnisse und der abschließenden Diskussion. Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick.

Welche Ergebnisse wurden erzielt?

Die Simulationsstudien zeigten die Abhängigkeit der Kornstruktur in der WEZ von der Temperaturverteilung. Es wurde ein neues Nukleationsmodell entwickelt und implementiert, welches die experimentellen Daten besser reproduziert als das anfängliche Modell mit Phasenfeldrauschen. Die Parameterstudien erlaubten die Optimierung des Modells und die Identifizierung wichtiger Einflussfaktoren für die Keimbildung.

Welche Schlussfolgerungen werden gezogen?

Die Arbeit zeigt die Eignung der Phasenfeldmethode zur Simulation der Mikrostrukturausbildung beim Elektronenstrahlschweißen. Das entwickelte Nukleationsmodell verbessert die Genauigkeit der Simulationen im Vergleich zu Modellen, die auf Phasenfeldrauschen basieren. Die Ergebnisse liefern wertvolle Erkenntnisse für die Optimierung des Elektronenstrahlschweißprozesses und tragen zum Verständnis der Mikrostrukturbildung bei.

Welche Schlüsselwörter beschreiben die Arbeit?

Elektronenstrahlschweißen, ferritischer Stahl, Wärmeeinflusszone (WEZ), Kornstruktur, Keimbildung, Phasenfeldmethode, Simulation, Nukleation, Phasenfeldrauschen, Temperaturverteilung, Modellentwicklung, Parameterstudie, Validierung, Mikrostrukturausbildung.