Einflussfaktoren auf den Eigenspannungszustand in Hartmetall

Kayser, Wolfgang Andreas; Klocke, Fritz; Broeckmann, Christoph

doi:38726

Einflussfaktoren auf den Eigenspannungszustand in Hartmetall = Influencing factors on the residual stress state in cemented carbides

Kayser, Wolfgang Andreas^RWTH*

2019

VerantwortlichkeitsangabeWolfgang Andreas Kayser

ImpressumDüren : Shaker Verlag 2019

Umfang1 Online-Ressource (XVII, 188 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-8440-7017-0

ReiheWerkstoffanwendungen im Maschinenbau ; 19

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Broeckmann, Christoph (Thesis advisor)^RWTH* ; Klocke, Fritz (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-07-18

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-10477
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/771904/files/771904.PDF

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau (418110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Eigenspannungen (frei) ; FEM (frei) ; Hartmetall (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Während des Herstellungsprozesses entstehen in Hartmetallen hohe innere Spannungen. Ursächlich sind Dehnungsinkompatibilitäten, die beim Abkühlen nach dem Flüssigphasensinterprozess aufgrund der unterschiedlichen mechanischen und thermophysikalischen Eigenschaften der Einzelphasen Wolframkarbid und Kobalt auftreten. Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungseigenschaften bilden dabei die Hauptursache für thermisch induzierte innere Spannungen. Ein weiterer möglicher Ursprung von Dehnungsinkompatibilitäten kann in der Wiederausscheidung von im Kobalt gelöstem Wolfram und Kohlenstoff an den bestehenden Korngrenzen des Wolframkarbids gesehen werden. Ziel dieser Arbeit ist es, ein Finite-Elemente-Modell zu erstellen, welches die Eigenspannungen II. Art in Hartmetallen temperaturabhängig wiedergibt und die oben genannten Ursachen der Eigenspannungen berücksichtigt. Hierzu werden auf Basis von jeweils fünf EBSD-Gefügebildern von WC6Co- bzw. WC20Co-Wolframmonokarbid-Kobalt-Hartmetallen geometrische Modelle erzeugt und durch finite Elemente diskretisiert. Den erzeugten Finite-Elemente-Modellen liegt zur mechanischen Beschreibung ein konstitutives Materialgesetz zu Grunde, welches die Kobaltphase kontinuumsmechanisch elastisch-viskoplastisch beschreibt. Hingegen wird die Materialverformung des Wolframkarbids rein elastisch-orthotrop angenähert. Die Änderung der Materialeigenschaften über der Temperatur wird durch die konstitutive Materialbeschreibung berücksichtigt. Unter der Annahme, dass allein die Kobaltphase plastisch verformbar ist, werden für unterschiedliche Abkühlbedingungen die inneren Spannungen in Abhängigkeit der Temperatur bestimmt, die bei Erreichen von Raumtemperatur charakteristisch für den Eigenspannungszustand sind. Entsprechend können Dehnungsinkompatibilitäten nur durch das Kobalt ausgeglichen werden. Innerhalb einer ersten numerischen Studie wird der Einfluss der Abkühlbedingungen auf den Eigenspannungszustand, unter Vernachlässigung des Wiederausscheidungseffektes, für sämtliche erstellten Modelle bestimmt. Im Anschluss wird für jeweils eines der WC6Co- bzw. WC20Co-Modelle der Wiederausscheidungseffekt in qualitativer Form berücksichtigt. Dazu werden Ergebnisse von CALPHAD-Simulationen zur Wiederausscheidungskinetik von im Kobalt gelöstem Wolfram und Kohlenstoff in die konstitutive Materialbeschreibung der Finite-Elemente-Modelle aufgenommen. Anhand eines Vergleichs der Modelle mit und ohne Berücksichtigung des Wiederausscheidungseffektes wird die Größenordnung des Einflusses der Wiederausscheidung festgelegt. Abschließend werden sämtliche numerischen Ergebnisse mit den Resultaten aus Neutronenbeugungsexperimenten verglichen, um die durch die Modelle gewonnenen Erkenntnisse in Bezug auf den Eigenspannungszustand von Hartmetallen zu ergänzen.

During the manufacturing process of cemented carbides, severe internal stresses form between the cobalt binder and tungsten carbide phase of cemented carbides. The cause for internal stresses is found in strain incompatibilities between the constituent phases caused by the different mechanical and thermophysical properties of the constituents. The main cause for strain incompatibilities is the difference in coefficient of thermal expansion of cobalt and carbide. Further incompatibilities could be caused by the re-precipitation of elemental tungsten and carbon solved in the binder at existing grain boundaries of the carbide. The objective of this thesis is to generate a finite element model, which is capable to reflect the temperature-dependent type II residual stresses in cemented carbides and to account for the causes mentioned above. Therefore geometric models are derived from EBSD data of WC6Co and WC20Co cemented carbides, which are discretised by finite elements in a subsequent step. For each cemented carbide grade five models are generated. The material description of the finite element models is based on a constitutive law, which describes the cobalt as elastic-viscoplastic material. In contrast to cobalt the tungsten carbide phase is modelled as purely orthotropic-elastic material. Within the constitutive law the temperature dependence of the model parameters is accounted for. Based on the assumption that solely cobalt underlies plasticity, the temperature-dependent internal stresses are determined for different cooling conditions, leading to the characteristic residual stress state at room temperature. Therefore only the cobalt binder is responsible for the compensation of strain incompatibilities. Within a first numerical study, the influence of the cooling conditions on the residual stress state is investigated for all available models. The re-precipitation effect is neglected at first. In a subsequent study the qualitative effect re-precipitation is incorporated in one model of each of the cemented carbide grades under investigation. For the implementation of the re-precipitation effect the results of CALPHAD simulations, describing the solution and re-precipitaiton kinetics of tungsten and carbon in cobalt, are integrated into the constitutive description. By means of comparing the numerical results achieved with and without considering the re-precipitation effect, the order of magnitude of the influence of re-precipitation on the residual stress state is determined. The study is closed with the comparison of numerical and experimental neutron diffraction data, to add information to the numerical results regarding the residual stress state in cemented carbides.

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