Solidification modeling of austenitic cast iron [Elektronische Ressource] : a holistic approach / Björn Pustal

Bjoern Pustal

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 75
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 15 Mo

Extrait

“Solidification Modeling of Austenitic Cast Iron: A Holistic Approach“
Von der Fakultat fur Georessourcen und Materialtechnik¨ ¨
der Rheinisch-Westfalisc¨ hen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Ingenieurwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von Dipl.-Ing.
Bj¨orn Pustal
aus Heidelberg
Berichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Andreas Buhrig-Polaczek¨ Dr.rer.nat. Dr.h.c. Gun¨ ter Gottstein
Tag der mundlichen Prufung: 11. Mai 2010¨ ¨
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfugbar¨Titel: Solidification Modeling of Austenitic Cast Iron: A Holistic Approach
Autor: Bjorn¨ Pustal
Gießerei-Institut der RWTH Aachen
Intzestr. 5
52072 Aachen
Reihe: Ergebnisse aus Forschung und Entwicklung, Band 1
ISBN: 978-3-9813872-0-9 (eBook)
© 2010 Gießerei-Institut der RWTH Aachen und der Autor
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek der RWTH Aachen
online verfugbar.¨
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nation-
albibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet uber http://dnb.d-nb.de¨
abrufbar.
Verlag: Gießerei-Institut der RWTH Aachen
Intzestr. 5
D-52072 Aachen
Tel.: [phone]
Fax.: [phone]
E-Mail: [e-mail]
Internet: www.gi.rwth-aachen.deDanksagung / Acknowledgement
Nach ub¨ er acht Jahren am Gießerei-Institut, in denen ich mit vielen Menschen zusam-
mengearbeitet habe, mochte ich mich bedanken bei ...¨
...Prof. Dr.-Ing. A. Buhrig-Polaczek fur die Betreuung und die Freiheit, die Ausrichtung¨ ¨
meiner Forschungen selbstst¨andig gestalten zu k¨onnen. Fur¨ seine kritischen Anregungen
und das mir entgegengebrachte Vertrauen bedanke ich mich.
¨
...Prof. Dr.rer.nat. Dr.h.c. G. Gottstein fur¨ die Ubernahme des Koreferats und die gute
langjahrige Zusammenarbeit.¨
... der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) fur¨ die kontinuierliche finanzielle
Forderung der entstandenen Arbeit im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 370 Inte-¨
grative Werkstoffmodellierung und spater¨ im Rahmen des Transferbereichs 63 Praxisrel-
evante Modellierungswerkzeuge.
... allen Kollegen am Gießerei-Institut und bei ACCESS, die mich stets tatkr¨aftig un-
terstutzt haben. Mein besonderer Dank gilt Dr. Uwe Vroomen fur die herzliche und gute¨ ¨
¨Zusammenarbeit sowie auch Emir Subasic fur die Ubernahme der Rechnergruppe und¨
die Durchfuhrung¨ der Abgusse¨ in Nortorf. Dr. Benkt Hallstedt moc¨ hte ich danken fur¨ die
fruchtvollen Diskussionen sowie die Durchfuhrung der DTA und der Vergleichsrechnun-¨
gen zur Softwarevalidierung. Ganz besonders hervorheben m¨ochte ich meine Dankbarkeit
fur das sorgfaltige Korrekturlesen dieser Arbeit durch Hannah Siebert und Dr. Stefan¨ ¨
Benke sowie Dr. Georg Schmitz fur¨ die hilfreichen Tipps zum Prufungsv¨ ortrag. Darub¨ er
hinaus sein Dr. Ralf Berger und Dr. Bernd Bottger fur ihre Hilfe gedankt. Fur das fre-¨ ¨ ¨
undliche und kollegiale Miteinander sowie zahlreiche unvergessene Mittagessen danke ich
Annemarie Bulla, Dr. Gottfried Laschet, Dr. Georg Ehlen, Dr. Mahmoud Ahmadein,
Mohamed Yamine Jouani, Dr. Menghuai Wu und Prof. Dr. Andreas Ludwig.
...Tobias Muller, Martin Feller, Ulrich Althaus und Peter Otten fur die stets freundliche¨ ¨
technische Unterstutzung und tatkraftige Mitwirkung bei verschiedenen Projekten wie der¨ ¨
GI-Homepage. Phillip Jorres¨ sei gedankt fur¨ die Umsetzung des graphischen Frontends
und Felix Munchhalfen fur das Erstellen eines einfachen Lizenzmanagers fur das hier¨ ¨ ¨
vorgestellte Programm.
...den guten Geistern im Sekretariat: Brigitte Vanweersch, Ingeborg Thouet und Sabine
Wolters, die mir mit Rat und Tat bei administrativen Fragen aller Art zur Seite standen
sowie den Kolleginnen und Kollegen der Metallographie, dem Fotolabor, der Analytik,der mechanischen Werkstatt und der Gießhalle fur¨ ihre Unterstutzung¨ bei den experi-
mentellen Arbeiten.
...den Mitarbeitern von CLAAS GUSS: Dr. Christine Bartels, Uwe Schmidt, Ferdinand
Gaßner und Dr. Andreas Huppertz sowie bei den Mitarbeitern von MAGMA: Erik Hepp,
Dr. Marc Schneider, Dr. Jorg C. Sturm und Dr. Erwin Flender fur die gute Koopera-¨ ¨
tion und die Bereitschaft bei diesem Projekt mitzuwirken. In besonderer Hinsicht gilt
mein Dank Dr. Wilfried Schafer, der mit mir die Schnittstellen zur Prozesssimulation¨
ausgearbeitet hat.
... Bernd Hoffmann, Dr. Rainer Koch und Tibor Schweikert fur die Ermutigung zur¨
Fortbildung, bei meinen Eltern fur¨ die finanzielle Hilfe w¨ahrend meines Studiums, die
stets offene Tur und ihr Verstandnis uber die Jahre. Ganz besonders danke ich meiner¨ ¨ ¨
geliebten Frau ♥ Sabine Kuhlic¨ h♥ fur¨ ihre Gute,¨ Geduld und die moralische Unter-
stutzung¨ w¨ahrend der Endphase meiner Promotion und seit 04.07.2010 naturlic¨ h auch
dem guten Bruno♥, der uns mit großer Freude erfullt!¨Table of Contents
0 Executive Summary I
0.1 IntroductionandMotivation......................... I
0.2 State-of-the-Art................................ II
0.3 ModelDescription .............................. IV
0.3.1 ModelCharacteristics ........................ IV
0.3.2 RepresentativeVolumeElement................... VI
0.3.3 SpeciesConservationEquation VII
0.3.4 SpeciesFluxBalance VI
0.3.5 MorphologyandAveragedQuantities................ VII
0.3.6 DendriteArmCoarsening...................... VII
0.3.7 ThermodynamicCalculations.................... IX
0.3.8 Time-TemperatureCorrelation ................... IX
0.3.9 SolutionAlgorithm.......................... X
0.3.10CouplingtoProcesSimulation XI
0.4 ExperimentsandEvaluation......................... XI
0.4.1 ProductionofCastings........................ XII
0.4.2 ChemicalAnalysis XIII
0.4.3 MicrostructureCharacterization................... XII
0.4.4 ElectronProbeMicroAnalysis.................... XII
0.4.5 X-RayAnalysis............................ XIV
0.5 Model Sensitivity and Model Validation XV
0.5.1 Introduction.............................. XV
0.5.2 Comparison of Submodels . . XVI
0.5.3 VariationoftheChemicalComposition............... XIX
0.5.4 ComparisonwithSolidificationKineticsfromDTA ........ XIX
0.5.5 SimulationSetup........................... XX
0.5.6 DistributionsofMicrostructuralQuantities............. XXI
0.5.7 ComparisonofCoolingCurves.................... XXI
0.5.8 ValidationofPorosityPredictions.................. XXII
0.6 SummaryandConclusions.......................... XXIV
1 Introduction and Motivation 1
iii TABLE OF CONTENTS
2 Fundamentals 5
2.1 Objectives................................... 5
2.2 Microsegregations............................... 5
2.3 Thermodynamics 6
2.3.1 Fundamental Laws and Equations.................. 6
2.3.2 Equilibrium Conditions........................ 8
2.3.3 Gibbs-ThomsonRelation....................... 9
2.4 TransportEquationsandConstitutiveLaws................ 10
2.5 FiniteVolumeMethod............................ 12
2.6 CastIronandGraphiteShape 12
3 State-of-the-Art 19
3.1 Objectives................................... 19
3.2 MaterialModelsforSolidification...................... 19
3.3 AusteniticDuctileIron............................ 23
3.4 FormationofChunkyGraphite ....................... 24
4 Model Description 27
4.1 Objectives 27
4.2 ModelCharacteristics............................. 28
4.3 MicrosegregationModel ........................... 30
4.3.1 RepresentativeVolumeElement................... 30
4.3.2 SpeciesConservationEquation 32
4.3.3 SpeciesFluxBalance......................... 3
4.3.4 MorphologyandAveragedQuantities................ 35
4.3.5 Front-Tracking............................ 38
4.3.6 ImplementationofCros-Diffusion.................. 39
4.3.7 DendriteArmCoarsening...................... 39
4.4 SpecificQuantities.............................. 41
4.5 ThermodynamicCalculations........................ 43
4.5.1 TQ-Interface ............................. 43
4.5.2 PrecipitationSimulation....................... 43
4.5.3 PhaseActivation........................... 45
4.5.4 ThermodynamicProperties ..................... 45
4.6 Time-TemperatureCorrelation 46
4.7 GraphicalFrontend.............................. 47
4.8 SolutionAlgorithm.............................. 48
4.9 CouplingtoProcesSimulation 50
4.10Postprocesing................................. 52
5 Experiments and Evaluation 53TABLE OF CONTENTS iii
5.1 Objectives................................... 53
5.2 ProductionofCastings............................ 53
5.3 ChemicalAnalysis .............................. 5
5.4 MicrostructureCharacterization....................... 5
5.5 DifferentialThermalAnalysis........................ 56
5.6 ElectronDispersiveX-RayAnalysis..................... 57
5.7 ElectronProbeMicroAnalysis 58
5.8 X-RayAnalysis................................ 59
6 Model Sensitivity and Model Vali