Experimentelle und numerische Untersuchung des Schrumpfungsverhaltens von peritektisch erstarrenden Stählen

Foppe, Manuel GND

In dieser Arbeit wird ein Versuchsaufbau vorgestellt, mit dem die Schrumpfung direkt auf der Randschale von peritektisch erstarrenden Stählen gemessen werden kann, die bei 1550 °C abgegossen wurden. Die Messung der Schrumpfung erfolgt in einer rechteckigen Kupferkokille, die aus der Kombination von numerischen Berechnungen und experimentellen Untersuchungen entwickelt wurde.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Randschale des Stahlblockes an den Breitseiten sowohl in Abhängigkeit des Kohlenstoffgehaltes als auch der Kokillengeometrie zum Teil stark einfällt. Des Weiteren tritt neben einem Einfallen eine unebene Oberflächenstruktur an den Breitseiten in Abhängigkeit des Kohlenstoffgehaltes auf, die sich in Form von Bergen und Tälern äußert. Mit der entwickelten Kokillengeometrie durchgeführte Schrumpfungsmessungen zeigen, dass der untersuchte Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,119 Gew.-% im Vergleich zu einem niedriger sowie einem höher kohlenstoffhaltigen Stahl die stärkste Schrumpfung aufweist.
Neben den experimentellen Untersuchungen zum Schrumpfungsverhalten wird in dieser Arbeit ein numerisches Modell vorgestellt, mit dem der entwickelte Versuchsaufbau in Form eines viertelsymmetrischen Modells abgebildet wird, um die auftretenden Effekte und Vorgänge verstehen zu können. Das mechanische Materialverhalten wird mit einem thermo-viskoplastischen Materialgesetz beschrieben, wofür die Materialparameter in Abhängigkeit der Temperatur identifiziert wurden.

This thesis shows an experimental setup which enables the direct measurement of the shrinkage on the shell of peritectic solidifying steels that have been cast at 1550 °C. The shrinkage is measured in a rectangular copper mould developed from a combination of numerical calculations and experimental investigations.
The results show that the shell of the steel block bends on the broad faces in dependence on the carbon content and the geometry of the mould. In addition to the bending, an uneven surface structure occurs on the broad faces as a function of the carbon content which manifests as mountains and valleys. Shrinkage measurements carried out with the developed mould geometry show that the investigated steel with a carbon content of 0.119 Gew.-% has a stronger shrinkage than steel with a lower or higher carbon content.
In addition to the experimental investigations on shrinkage behaviour, this thesis presents a numerical model for the simulation of the developed experimental setup in the form of a quarter-symmetrical model in order to understand the occurring processes.
A thermo-visco-plastic material law is used to describe the mechanical material behaviour. To achieve this, material parameters were identified as a function of temperature.

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Foppe, Manuel: Experimentelle und numerische Untersuchung des Schrumpfungsverhaltens von peritektisch erstarrenden Stählen. 2019.

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