Untersuchung des Konvektionseinflusses bei der Erstarrung hochmanganhaltigen Stahls mit Hilfe der Phasenfeld Methode

Die Werkstoffgruppe der Stähle ist heutzutage einer der wichtigsten Werkstoffe für die technische Weiterentwicklung in vielen Bereichen. Moderne Flugzeuge wie der Airbus A 380 oder die Ozeanriesen der Triple-E Baureihe der Maersk Reederei benötigen höchstzuverlässige Werkstoffe mit auf die jeweilige Anwendung optimal abgestimmten Eigenschaften. Ein wichtiges Kriterium für die Zuverlässigkeit ist der Reinheitsgrad. Inhomogenitäten und Mehrphasigkeit im Stahl sind für seine Festigkeit unerlässlich. Allerdings können sie in der Überbeanspruchung Risse oder sogar Brüche hervorrufen. Solche Inhomogenitäten von Legierungselementen treten aufgrund der unterschiedlichen Löslichkeiten in der Schmelze sowie den kristallinen Phasen zwangsläufig während der Erstarrung auf. Die Kenntnis dieser sogenannten Mikroseigerungsverteilung kann im weiteren Prozessverlauf durch beispielsweise Homogenisierungsglühen zur Beseitigung solcher Inhomogenitäten genutzt werden. Für die Verteilung und Stärke der Mikroseigerung spielen unter anderem die Grenzflächenenergie, die zumeist unbekannt ist, und die Unterkühlung der Schmelze eine entscheidende Rolle. Der Einfluss unterscheidet sich dabei deutlich je nach gewählter Legierung.
Einen ebenfalls großen Einfluss auf das Erstarrungsgefüge hat die Strömung. Aufgrund der Volumenunterschiede zwischen fester und flüssiger Phase entsteht im Verlauf des Erstarrungsprozesses zwangsläufig eine Strömung, deren Berücksichtigung in Bezug auf die Seigerung und die Morphologie eine wichtige Rolle spielt. Es zeigt sich, dass insbesondere die der Strömung abgewandte Seite (Schattenseite) durch die starken Anreicherungen einen großen Wachstumsnachteil erfährt. Dadurch wird die Symmetrie des Systems gebrochen.