Entwicklung eines echtzeitfähigen Mehrphasenmodells für Al-Mg-Si-Legierungen unter Berücksichtigung der Solvuskurven

Abstract

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines dynamischen Mehrphasenmodells für Al-Mg-Si-Legierungen mit der Materialtemperatur als Eingangsgröße. Das Modell soll auf bereits bestehenden weiterentwickelt und mit DSC-Messungen (Differential Scanning Calorimetry) für die Aluminiumlegierung EN AW-6082 verifiziert werden. Durch das Miteinbeziehen der Solvuskurven berücksichtigt das Modell auch die Gleichgewichtszustände der individuellen Phasen, welche deren Bildung und Auflösung in Abhängigkeit ihres aktuellen Massenanteils und der Temperatur steuern. Unter anderem soll dabei die reine Auflösung einer Phasebeschrieben werden. Das Modell basiert auf einem System von Differentialgleichung, welches gelöst werden muss, um die latente Wärme der Phasenentwicklung in der Aluminiumlegierung zu simulieren. Ausgangspunkt ist dabei der Ansatz von Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) bzw. dessen Weiterentwicklung durch Starink. Das Modell muss echtzeitfähig sein, d.h. die Minimierung der Komplexität und damit der Rechenzeit ist essenziell. Eine wesentliche Vereinfachung ist dabei die Vernachlässigung der chemischen Zusammensetzung derjeweiligen Phasen. Anschließend werden die Modellparameter durch Lösen eines Optimierungsproblemsbestimmt. Bei der Wärmebehandlung von Aluminiumlegierungen ist die Entwicklung der verschiedenen Phasen hauptsächlich für die mechanischen Eigenschaftenwie etwa der Festigkeit verantwortlich, d.h. mit dem entwickelten Modell sollen diese auch für eine gegebene Warmauslagerung berechnet werden können.Die durch das Modell erhaltenen Simulationen stimmen gut mit den Messungen übereinund können alle dort auftretenden Phänomene prinzipiell beschreiben. Auch die Streckgrenze konnte auf Basis der Phasenanteile erfolgreich berechnet werden und liefert damit eine Möglichkeit diese für gegebene Parameter einer Warmauslagerung zu prognostizieren.

The aim of this work is the development of a dynamic multiphase model for Al-Mg-Si alloys with the material temperature as input variable. The model is to be further developed based on existing models and verified with DSC (Differential Scanning Calorimetry) measurements for the aluminum alloy EN AW-6082. By including the solvus curves, the model also takes into account the equilibrium states of the individual phases, which control their formation and dissolution depending on their current mass fraction and temperature. Among other things, the pure dissolution of a phase is to be described.The model is based on a system of differential equations that must be solved in order to simulate the latent heat of phase evolution in the aluminum alloy. The starting point is the approach of Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) and its further development by Starink. The model must be real-time capable, i.e. minimizing the complexity and thus the computing time is essential. A significant simplification is the neglect of the chemicalcomposition of the respective phases. The model parameters are then determined by solving an optimization problem. In the heat treatment of aluminum alloys, the development of thedifferent phases is mainly responsible for the mechanical properties such as the strength, i.e. with the developed model, these should also be able to be calculated for a given artificial ageing. The simulations obtained by the model agree well with the measurements and can describe all phenomena occurring there in principle. The yield strength could also be successfully calculated on the basis of the phase fractions and thus provides a way of predicting it forgiven parameters of artificial aging.