Metallographische Untersuchung in der Computermodellierung von neuen Materialien: von der realen Mikrostruktur zur numerischen Simulation

Abstract

Neue Hochleistungswerkstoffe für die Luft- und Raumfahrt werden vor ihrem Einsatz mit experimentellen und numerischen Methoden charakterisiert und berechnet. Die mikroskopisch kleinen Strukturen eines Materials sind dabei von besonderer Bedeutung, denn sie nehmen direkten Einfluss darauf, ob ein Bauteil im Betrieb besteht oder versagt. Für die Berechnung des Werkstoffverhaltens wird die reale Mikrostruktur mit Hilfe charakteristischer, aus mikroskopischen Untersuchungen abgeleiteter Parameter, beschrieben und im Rechner nachgebildet. Solche Parameter können z.B. Daten zur statistischen Verteilung der Abmessungen, der räumlichen Anordnung oder ggf. der kristallografischen Orientierung der auftretenden Phasen sein. Liegen diese Daten vor, werden damit virtuelle Mikrostrukturen erstellt und diese in Finite-Element Modelle überführt. Den einzelnen Phasen werden dabei die entsprechenden Werkstoffgesetze zugeordnet, d.h. elastische Konstanten, Streckgrenzen, Verfestigungsexponenten, thermische Ausdehnungskoeffizienten etc. Anhand dieser Modelle kann das Materialverhalten unter mechanischer oder thermischer Beanspruchung mit Hilfe von Computersimulationen berechnet werden. Der Vorteil der parametrisch aufgebauten Modelle ist, dass sich durch Variation der Parameter schnell neue Modelle generieren lassen und somit der Einfluss der Mikrostrukturparameter auf das Werkstoffverhalten bestimmt werden kann. Auf diese Weise kann z.B. der Einfluss der Korngröße auf das mechanische Verformungsverhalten oder die Auswirkung von Poren auf die thermische Leitfähigkeit untersucht werden. Durch die Verwendung statistischer Größen lassen sich aus der Streuung der Mikrostrukturparameter auch Aussagen über die Streuung der Werkstoffeigenschaften ableiten, indem mit denselben Gefügeparametern über Zufallsgeneratoren immer wieder neue Modelle mit lokal unterschiedlichen Konstellationen der Gefügeelemente erzeugt und für diese Modelle die Werkstoffeigenschaften berechnet werden. Für die Bestimmung der Mikrostrukturparameter kommen die Methoden der Materialografie und Mikroanalytik zum Einsatz. In der vorliegenden Arbeit wird anhand von zwei ausgewählten mehrphasigen Gefügen gezeigt, wie im Zusammenspiel von mikrostrukturellen Untersuchungen und numerischen Simulationen der Einfluss der Gefügeparameter auf die mechanischen Eigenschaften bestimmt werden kann bzw. wie experimentell nicht zugängliche Eigenschaften eines Composites mittels numerischer Simulationen berechnet werden können.