Modellierung und Validierung zeitabhängiger mikrochemischer Prozesse in Aluminium Knetlegierungen

Schneider, Manfred Kurt; Gottstein, Günter

doi:1524

Modellierung und Validierung zeitabhängiger mikrochemischer Prozesse in Aluminium Knetlegierungen = Modelling and validation of time-dependent microchemistry effects in aluminium alloys

Schneider, Manfred Kurt (Author)

2006

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Manfred Kurt Schneider

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2006

UmfangIII, 237 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Zusammenfassung in dt. u. engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Gottstein, Günter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-02-10

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-15240
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61197/files/Schneider_Manfred.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik (500000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Technische Chemie (frei) ; Computersimulation (frei) ; Gefüge (frei) ; Metall (frei) ; Ausscheidung (frei) ; Aluminium (frei) ; Phasenumwandlung (frei) ; Thermodynamik (frei) ; simulation (frei) ; microstructure (frei) ; metals (frei) ; precipitation (frei) ; phase transformation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 660

Kurzfassung
Bedingt durch hohe Abkühlraten beim Barrenguß von Al-Mn-Mg-Fe-Si Werkstoffen (AA3xxx Serie) liegen die Legierungselemente Mn und Fe, aufgrund ihrer geringen Diffusionsgeschwindigkeit, in übersättigter Lösung vor. Der Gußzustand ist daher sehr weit vom thermodynamischen Gleichgewicht entfernt. Neben der Beseitigung von Mikroseigerungen ist das Hauptziel der industriellen Barrenvorwärmung die gezielte Ausscheidung der Legierungselemente Mn und Fe.Bereits beim Aufheizen des Barrens auf Vorwärmtemperatur entsteht eine Vielzahl von Phasen, von denen jede ihre Zusammensetzung und Menge ändern kann. Metallkundlich betrachtet wird der Prozeß durch die Keimbildung, das Wachstum, die Auflösung und Phasenumwandlungen von AlMn-Ausscheidungen und anderer Phasen bestimmt.Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Modell erstellt, das diese Prozesse durch die klassischen Theorien der Keimbildung und der Kinetik des Wachstums und der Reifung von Ausscheidungen beschreibt. Das ClaNG-Modell (Classical Nucleation and Growth) sagt die Ausscheidungskinetik bei Wärmebehandlungen der 1xxx, 5xxx und im besonderen der 3xxx Al-Legierungen vorher. Das Modell ist in der Lage die gleichzeitig ablaufenden Mechanismen der Keimbildung, des Wachstums, der Reifung und die Änderung der Zusammensetzung kugelförmiger Ausscheidungen zu berechnen. Zur Berechnung des thermodynamischen Gleichgewichts, der treibenden Kräfte für Phasenumwandlungen und Gleichgewichtskonzentrationen, wurden die Thermodynamiksoftware ChemApp (GTT Technologies, Herzogenrath) und thermodynamische Datenbanken eingebunden. Dadurch kann das Modell auch auf andere Legierungssysteme angewendet werden. Der vorliegende Algorithmus ist schnell und daher für industrielle Anwendungen sehr interessant. Die experimentellen Arbeiten zielten auf die strukturierte Untersuchung der Einflüsse der einzelnen Legierungselemente. Zur Charakterisierung der metallkundlichen Mechanismen, die während der Barrenvorwärmung die Mikrostrukturentwicklung bestimmen, wurden sowohl isotherme Glühungen an Modellegierungen (AlMn1Mg1, AlMn1Mg1Fe0.45 und AlMn1Mg1Fe0.45Si0.2) als auch an einer kommerziellen AA3104 unter industriellen Prozeßbedingungen durchgeführt, um das Modell zu überprüfen.

As a result of high cooling rates during the direct chill casting process of Al-Mn-Mg-Fe-Si alloys (typically AA3xxx series) Mn and Fe are quenched in a solid solution, due to their slow diffusion kinetics. Therefore the as-cast condition is far from thermodynamic equilibrium. One of the main goals of the industrial process of pre-heating is to precipitate Mn and Fe and to eliminate microsegregations.During heating of the as-cast ingot up to homogenisation temperature a variety of phases develop. Each of this phases can change its composition and its amount. From a metallurgical point of view the process is mainly dominated by nucleation, growth, dissolution and transformation of AlMn-dispersoids as well as other phases.In this work a statistical model was developed to describe this process within the framework of classical nucleation theory and the kinetics of growth and coarsening of precipitates. The ClaNG model (Classical Nucleation and Growth) predicts the precipitation kinetics during annealing 1xxx, 5xxx and in particluar 3xxx series alloys. The model is capable of describing the simultaneous nucleation, growth, coarsening and compositional changes of several types of spherical precipitates. To calculate the equilibrium phases, the chemical driving forces and the equilibrium concentrations, the commercial Gibbs energy minimizer ChemApp (GTT Technologies, Herzogenrath, Germany) and thermodynamic databases have been embedded. The main advantage of this strategy is that there is nearly no restriction on a special alloy system. The present algorithm is fast and therefore of particular interest for industrial applications.The experimental work focused on structural investigations of the influence of each alloying element. For a detailed characterisation of the metallurgical processes that determine microstructure evolution during pre-heating of an as cast-ingot, isothermal heat treatments with model alloys (AlMn1Mg1, AlMn1Mg1Fe0.45 and AlMn1Mg1Fe0.45Si0.2) as well as commercial AA3104 alloy in combination with real process data for pre-heating were carried out to validate the model.

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