Einfluss der Mikrostruktur auf die Wärmeleitfähigkeit mehrphasiger Stähle

Ziel dieser Arbeit war es, technisch anwendbare, numerische Methoden zur Bestimmung der effektiven Leitfähigkeit mehrphasiger Stähle zu entwickeln und zu verifizieren. Dazu wurden Werkstoffe mit modellhaftem Charakter hinsichtlich ihrer effektiven physikalischen Eigenschaften und ihres Gefüges charakterisiert. Zusätzlich wurden die Eigenschaften einzelner Phasen an synthetisierten Proben ermittelt, sodass der direkte Vergleich zwischen den berechneten und den gemessenen makroskopischen Eigenschaften möglich war.
Am Beispiel des unlegierten Vergütungsstahls C45E wurde mit Hilfe von Gleichgewichtsberechnungen und Diffusionssimulationen der Lösungszustand nach dem isothermen Auslagern bei 700°C nach Zeiten von 2 s bis 2 Wochen berechnet. Mit der Anwendung von bekannten empirischen Einflussfaktoren wurde daraus die zeitabhängige Wärmeleitfähigkeit des Stahls berechnet und mit Messwerten verglichen. Dadurch konnten Erkenntnisse über die Kinetik der Zementitausscheidung von sehr kurzen bis zu gleichgewichtsnahen Zeiten gewonnen werden. Hier zeigte sich, dass die Wärmeleitfähigkeit stark vom Lösungszustand der Matrixphase abhängig ist und hochsensibel auf Ausscheidungsvorgänge und den damit einhergehenden Wechselwirkungen reagiert. Dennoch konnte mit der Kombination von Simulationen und empirischen Faktoren der Verlauf der Leitfähigkeit qualitativ und quantitativ annähernd beschrieben werden.
Im zweiten Teil wurden die makroskopischen Eigenschaften eines kupferinfiltrierten Kaltarbeitsstahls betrachtet und auf die Mikrostruktur und die Eigenschaften der einzelnen Phasen zurückgeführt. Hier zeigte sich wieder ein starker Einfluss des Lösungszustandes der Kupferphase auf die Wärmeleitfähigkeit, wodurch diese ebenfalls durch die Ausscheidung von Eisen durch Wärmebehandlungen beeinflussbar ist. Ähnlich stark wirkt sich jedoch die Topologie der beteiligten Phasen aus. Der vorliegende Durchdringungswerkstoff wurde daher anhand einer Computertomographie seiner Mesostruktur charakterisiert. Durch FEM-Simulationen der digitalisierten Topologie und dem Abgleich mit den realen Messdaten konnten so Einflüsse der Topologie auf die effektive Wärmeleitfähigkeit identifiziert werden. Zusätzlich konnte so die Grenzflächenleitfähigkeit zwischen den beiden Hauptkomponenten eingegrenzt werden.
Im letzten Teil wurden dann FEM-Modelle auf der Basis von repräsentativen Volumenelementen (RVE) entwickelt und getestet. Diese bestanden aus sich teilweise überschneidenden Sphäroiden in den bekannten KPP-, KRZ- und KFZ-Stapelfolgen. Diese Modelle wurden umfangreich hinsichtlich ihrer Topologie und ihrer effektiven Eigenschaften charakterisiert und ihre Eignung anhand der bereits analysierten Verbundwerkstoffe verifiziert. Zusammen mit der zuvor festgestellten Grenzflächenleitfähigkeit konnten damit genaue Vorhersagen der effektiven Wärmeleitfähigkeit bei Phasenverhältnissen zwischen 12 und 30% getroffen werden.