Skalenübergreifende Simulation des Anlassens von Werkzeugstählen

Die numerische Simulation der Wärmebehandlung hat in den letzten Jahren an Bedeutung zugenommen. Durch die FEM-Simulation der Wärmebehandlung können die für die Entstehung der Maß- und Formänderungen sowie Spannungen maßgeblichen Effekte und Wechselwirkungen ermittelt und analysiert werden. Die meisten bisher bekannten Anwendungen beschränken sich jedoch auf die Simulation des Härtens. Demgegenüber ist die Simulation des Anlassens bisher häufig vernachlässigt oder rein phänomenologisch und in der Regel stark vereinfachend durchgeführt worden. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Simulationsmethode für die Vorhersage der Maß- und Formänderungen, Eigenspannungen und der Phasenverteilung von vergüteten Bauteilen aus Werkzeugstahl entwickelt. Die vorgestellte Simulationsmethodik umfasst die Ausscheidungssimulation, die Vorhersage von Festigkeitskennnwerten durch physikalischer Werkstoffmodelle und die abschließende FEM-Simulation sowie Kopplungen der einzelnen Teile untereinander. Hierbei dienten durch die Ausscheidungssimulation berechnete Gefügeparameter als Eingangsgrößen für die physikalischen Werkstoffmodelle. Die mit den physikalischen Werkstoffmodellen berechneten Werkstoffparameter (Fließkurve, Kriechparameter) werden als nächstes bei der FEM-Simulation des Anlassens eingesetzt, um die Phasenverteilung, den Verzug und die Eigenspannungen nach dem Anlassen vorherzusagen. Zu diesem Zweck wurden zuerst die Simulation der Ausscheidungen am Beispiel des Stahls X40CrMoV5-1 durchgeführt. Darauffolgend wurden physikalisch motivierte Werkstoffmodelle, die bereits für die Simulation der Fließgrenze, des Verfestigungsverhaltens und des Kriechens in der Literatur eingesetzt wurden, in dieser Arbeit für die Ermittlung der Werkstoffparameter für den Spannungsabbau während des Anlassens des Stahls X40CrMoV5-1 verwendet. Für die FEM-Simulation der Wärmebehandlung von Werkzeugstählen wurde in dieser Arbeit ein neues Unterprogramm für das kommerziell erhältliche FEM-Programm Abaqus entwickelt. Nachfolgend wurde das verifizierte FEM-Modell für die Berechnung von realen Bauteile eingesetzt. Zum einen wurde die Simulation der Wärmebehandlung eines Verbundbauteils aus zwei Stählen (56NiCrMoV7 und X220CrVMoV13-4) durchgeführt. Zum zweiten wurde die Wärmebehandlung einer Druckgussform aus dem Warmarbeitsstahl X40CrMoV5-1 simuliert.