Werkstoffdaten

Eine entscheidende Voraussetzung für die Berechnung von Verzügen und Spannungen ist die richtige Definition der Werkstoffeigenschaften. Simufact Welding bietet mit Simufact Material eine umfangreiche Materialdatenbank, in der Werkstoffdaten verwaltet werden können und die bereits eine Reihe verschiedener Werkstoffdatensätze als Ausgangspunkt enthält. Standardmäßig arbeitet Simufact Welding mit komplexem nichtlinearem Materialverhalten, wie Verfestigung und temperaturabhängigen Materialeigenschaften.

Das Zusatzmodul Advanced material models berücksichtigt darüber hinaus auch Gefügeumwandlungen in Stählen, es berechnet die Phasenanteile und daraus resultierende Effekte auf die Spannungen und Verzüge.

Simufact Materialdatenbank

Simufact Material: Mehr als nur Werkstoffdaten

Simufact Material ist ein leistungsfähiges Werkzeug mit umfassenden Möglichkeiten zum Verwalten und Editieren von Werkstoffdaten.

Simufact Material enhält eine Auswahl an Materialdefinitionen für die Schweißsimulation. Zu diesen Materialien gehören austenitische, niedriglegierte, Werkzeug- und Einsatzstähle, die gängigen Aluminiumlegierungen sowie Beispiele für Titanlegierungen, Nickel-, Kupfer- und Kobaltbasislegierungen.

Simufact Material Benutzeroberfläche, Filter auf Schweißanwendungen gesetzt

Die Werkstoffdaten werden gewöhnlich mit jeder neuen Version erweitert und verbessert. Ein Werkstoffdatensatz enthält Dichte, E-Modul, Querdehnzahl, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten, Solidus- und Liquidustemperatur, Schmelzenthalpie, Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität und Fließkurven. Beim Widerstandspunktschweißen werden auch die elektrischen Eigenschaften einbezogen. Für Stähle mit Gefügeumwandlung sind außerdem die Daten für diesen Übergang vorhanden.

Alle Datensätze sind, soweit es für die Schweißsimulation Sinn hat, temperaturbezogen definiert, als Tabellen für den Bereich zwischen Raumtemperatur (normalerweise 20°C) und Schmelztemperatur der Werkstoffe. Die Tabellen können im CSV-Format exportiert oder direkt in der Simufact Material Benutzeroberfläche editiert werden. Es lassen sich auch mathematische Funktionen auf die Tabellen anwenden, um alle Werte auf einmal anhand einer bestimmten Formel zu ändern.

Fließkurven können abhängig von Temperatur, Umformgeschwindigkeit und Spitzentemperatur definiert werden. Die Abhängigkeit von der Spitzentemperatur lässt sich verwenden, um das Verhalten von Aluminiumlegierungen in der Wärmeeinflusszone zu modellieren, wo sich die Fließspannung beim Ausscheidungshärten unter Temperatureinfluss ändert. Es ist auch möglich, direkt in der Benutzeroberfläche eine gegebene Fließkurve in Bezug auf gemessene Rp0.2- und Rm-Spannungswerte zu skalieren.

Beispiel für Fließkurven abhängig von der Spitzentemperatur

Die Gefügeumwandlungsdaten enthalten t8/5-Abhängigkeiten für Zugfestigkeit und Dehngrenze sowie erwarteten Härtegrad und Umwandlungsdehnungen. Alle anderen Werkstoffeigenschaften werden während der Simulation anhand der Mischungsregeln berechnet.

Import von externen Werkstoffdaten

Simufact Material unterstützt den Datenimport aus JMatPro®, MatILDa und MSC Mentat.

Die Werkstoffdaten werden mit dem Programm JMatPro® unseres Softwarepartners Sente Software auf Basis der individuellen Legierungszusammensetzung und des thermischen Vorbehandlungszustands berechnet:

Von Raumtemperatur bis 1400°C
Bis zum Schmelzpunkt des Materials
Für Umformgrade bis 4

Für allgemeine Stähle lassen sich nicht nur alle für eine Umformsimulation benötigten thermischen, mechanischen und plastomechanischen Eigenschaften berechnen, sondern auch die zur Schweißsimulation benötigten Phasendiagramme.

Für Edelstähle, allgemeine Stähle, Aluminium- und Titanlegierungen können Sie alle für die Umformsimulation benötigten Werkstoffeigenschaften berechnen.

Die Werkstoffdaten können Sie für eine einzelne Legierung oder gebündelt in Paketen von 5 oder 10 Legierungen erwerben und dann in die Simufact-Materialdatenbank importieren.

Materialmodelle in der Schweißsimulation

Effekte, die das Werkstoffverhalten beeinflussen

Simufact Welding berechnet Schweißverzüge und Eigenspannungen standardmäßig basierend auf einem temperaturabhängigen elastisch-plastisch-verfestigenden Werkstoffverhalten. Oberhalb der Schmelztemperatur wird der Einfluss von Materialeigenschaften auf die Verzüge gewöhnlich vernachlässigt. Die thermische Ausdehnung wird oberhalb der Schmelztemperatur über den Ausdehnungskoeffizienten gestoppt und die effektiven plastischen Dehnungen, die die Verfestigungshistorie beschreiben, bis zum Unterschreiten der Solidustemperatur gelöscht. Dies reicht in der Regel zur Verzugsberechnung beim Schweißen für den Großteil der Metalle aus. Bei Eigenspannungen und Zugfestigkeit jedoch spielen meist komplexere Materialgesetze eine signifikante Rolle.

Verschiedene Mechanismen können das Materialverhalten beeinflussen: mechanische Vorverfestigung, Entfestigung durch Grobkornbildung im Schmelzbad, Gefügeumwandlungen (einschließlich bainitischer und martensitischer Aufhärtung, Umwandlungsdehnungen und Umwandlungsplastizität), sowie Lösungs- und Ausscheidungsvorgänge. Hiervon sind besonders die folgenden Werkstoffklassen betroffen:

Hoch- und niedriglegierte Stähle (insbesondere Gefügeumwandlungen)
Aluminiumlegierungen (4xxx, 6xxx, 7xxx, insbesondere Lösungs- und Ausscheidungsvorgänge)
Titanlegierungen
Nickelbasislegierungen

Modelle und Ansätze für kritische Mechanismen

Mechanische Vorverfestigung, Entfestigung durch Grobkornbildung im Schmelzbad

Eine mechanische Vorverfestigung, die während des Schweißens im Schmelzbad zurückgesetzt wird, kann mithilfe der Pre-State-Funktionalität abgebildet werden, wenn sie aus einer Prozesskette vor dem Schweißen stammt (z.B. aus einem Umformprozess). Alternativ kann eine globale Vorverfestigung der Komponente aus der Benutzeroberfläche heraus definiert werden.

Eigenspannungen beim Schweißen eines unverfestigten Bleches (links) und eines mechanisch vorverfestigten Bleches

Lösungs- und Ausscheidungsvorgänge

Mikrozugversuche einer Aluminiumschweißprobe (Quelle: Stiftung Institut für Werkstofftechnik Bremen)

Eine detaillierte Berücksichtigung von Lösungs- und Ausscheidungsvorgängen ist häufig wirtschaftlich nicht umsetzbar. Mikrozugversuche für verschiedene Bereiche geschweißter Proben können hier die nötigen Daten liefern.

Temperatur- und spitzentemperaturabhängige Fließkurven in der Simufact Material Benutzeroberfläche