Eintrag in der Universitätsbibliographie der TU Chemnitz
Gefüge- und Härteentwicklung bei der Laserstrahlbehandlung von hochlegierten Werkzeugstählen
Microstructure and hardness development during laser beam treatment of high-alloy tool steels
Kurzfassung in deutsch
Das Randschichthärten mittels Laserstrahl zur Oberflächenveredelung findet verbreitet Anwendung und ermöglicht es, gezielt lokal verschiedene Mikrostrukturen und Eigenschaften in Stählen einzustellen. Zielgrößen sind dabei eine geforderte Mindesthärte und -eindringtiefe. Während der Laserstrahlhärtung treten in Abhängigkeit des Abstandes zur Oberfläche sowie der Prozess- und Laserparameter unterschiedliche Temperaturen auf. Im Stahl laufen dabei verschiedene, sich gegenseitig beeinflussende metallphysikalische Prozesse ab, die eine Auslegung des Behandlungssprozesses erschweren. Im Fokus der Arbeit steht die Erforschung der Einflüsse der Laserstrahlhärtung auf die Mikrostruktur und Härte bei hochlegierten Werkzeugstählen. Diese Stähle wurden mit variierenden Prozessparametern laserstrahlgehärtet und durch verschiedene mikroskopische, mechanische, röntgenographische und röntgenspektroskopische Methoden analysiert, charakterisiert und bewertet. Weiterhin wurde das Korrosionsverhalten an ausgewählten laserstrahlgehärteten Proben untersucht. Die Verwendung von numerischen Methoden, speziell die Finite-Elemente-Methode (FEM), ermöglichte es, die bei der Laserstrahlhärtung auftretenden Temperaturen und Temperaturgradienten im Bauteil zu berechnen. Dabei ist es erforderlich, die Prozess- und Werkstoffsimulation zu koppeln, um genauere Ergebnisse mittels der Modellierung zu erhalten und auftretende metallphysikalische Vorgänge zu verstehen und für die Prozessauslegung zu nutzen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Methoden und Modelle zur Berechnung von Werkstoffkennwerten auf ihre Anwendbarkeit im Hinblick auf die Modellierung der Laserstrahlhärtung untersucht und bewertet. Diese Methoden und Modelle basieren auf empirischen und thermodynamischen Grundlagen sowie auf der Verwendung von Künstlichen Neuronalen Netzen (KNN). Durch FEM-Simulationen verschiedener Laserstrahlhärteprozesse zur Entwicklung von Gefüge und Härte und dem Vergleich mit Validierungsexperimenten konnte gezeigt werden, dass durch eine gekoppelte Prozess- und Werkstoffsimulation thermische Prozesse mit einer hohen Genauigkeit abbildbar sind. Dadurch ist es möglich, lokale thermische Behandlungsprozesse für komplexe Bauteile auszulegen und hinsichtlich der Prozessparameter zu optimieren.
Kurzfassung in englisch
Surface hardening by means of laser beams for surface refinement is widely used and makes it possible to selectively adjust different local microstructures and properties in steels. Target values are a required minimum hardness and penetration depth. During laser beam hardening, different temperatures occur depending on the distance to the surface and the process and laser parameters. Various interacting metal-physical processes take place in the steel, which make it difficult to design the treatment process. The focus of the work is to investigate the influences of laser beam hardening on the microstructure and hardness of high-alloy tool steels. These steels were laser-beam hardened with varying process parameters and analysed, characterised and evaluated by various microscopic, mechanical, X-rayographic and X-ray spectroscopic methods. Furthermore, the corrosion behaviour of selected laser-beam hardened samples was investigated. The use of numerical methods, especially the finite element method (FEM), made it possible to calculate the temperatures and temperature gradients occurring in the component during laser beam hardening. It is necessary to couple the process and material simulation in order to obtain more precise results by means of modelling and to understand occurring metal-physical processes and to use them for the process design. Within the scope of this work, various methods and models for the calculation of material parameters were investigated and evaluated for their applicability with regard to the modelling of laser beam hardening. These methods and models are based on empirical and thermodynamic principles as well as on the use of artificial neural networks (ANN). FEM simulations of different laser beam hardening processes for the development of microstructure and hardness and the comparison with validation experiments showed that thermal processes can be reproduced with a high degree of accuracy by means of a coupled process and material simulation. This makes it possible to design local thermal treatment processes for complex components and to optimise them with regard to the process parameters.
| Universität: | Technische Universität Chemnitz | |
| Institut: | Professur Werkstoff- und Oberflächentechnik | |
| Fakultät: | Fakultät für Maschinenbau | |
| Dokumentart: | Dissertation | |
| Betreuer: | Lampke, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil.) | |
| ISBN/ISSN: | 1439-1597 | |
| Quelle: | 2020. - 240 S. - Schriftenreihe Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen ; 88 | |
| Freie Schlagwörter (Deutsch): | Laserstrahlhärten , Wärmebehandlung , Gefügeentwicklung , Mikrostruktur , Thermodynamische Berechnungen , Finite-Elemente-Methode (FEM) , Künstliche Neuronale Netze (KNN) , Korrosion , Härte | |
| Freie Schlagwörter (Englisch): | laser beam hardening , heat treatment , microstructure development , thermodynamic calculations , finite element method , artificial neural networks , corrosion , hardness | |
| Sprache: | deutsch | |
| Tag der mündlichen Prüfung | 24.09.2020 |
