Umwandlungsplastizität
Aus ESOCAETWIKIPLUS
engl: transformation induced plasticity Kategorie: 
Level 4 Maschinenbau Material
Umwandlungsplastizität ist ein Effekt, der bei Phasenumwandlung oder Gefügeumwandlung zu beobachten ist. Bei der Rückumwandlung gamma -> alpha ist eine deutliche Plastizität zu beobachten, die als Umwandlungsplastizität bezeichnet wird (TRIP = transformation induced plasticity).
Die Umwandlungsplastizität ist an Dilatogrammen zu erkennen. Übliche Messungen von Dilatogrammen finden an Messmaschinen (z.B. Gleeble,..) statt, die durch eine Regelung die Probe während der Aufheizens und Abkühlens spannungsfrei halten, so dass die thermische Dehnung nicht durch mechanische Dehnungen überdeckt wird.
Um jedoch Umwandlungsplastizität zu erkennen, muss während eines solchen Versuchsablaufes (mindestens während der Rückumwandlung) eine mechanische Spannung wirken. Erst dann ist der TRIP-Effekt daran zu erkennen, dass bei der Rückumwandlung eine deutliche bleibende Dehnung entsteht. (Die Darstellung im Dilatogramm auf dieser Seite ist allerdings missverständlich: ein Dilatogramm zeigt die thermischen Dehnungen, hier in diesem Prinzip-Dilatogramm aber mit dem zusätzlichen Einfluss des TRIP-Effektes sind auch plastische Dehnungen mit dargestellt. Der TRIP-Effekt wird an einem Beispiel wie der Bildfolge zu Schweißeigenspannungen leichter verständlich.)
Diese Umwandlungsplastizität wird von vielen Autoren mit einer erhöhten Umgliederungstendenz der Atome im Kristallgitter bei der Phasenumwandlung erklärt.
In der Simulation der Strukturmechanik kann dadurch ein erheblicher Einfluss auf die verbleibenden Eigenspannungen entstehen.
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Grundlagen
Die Umwandlungsplastizität wird mit Gitterversetzungen des Metalls in Zusammenhang gebracht. Bei der Gefügeumwandlung zwischen dem kubisch-flächenzentrierten (kfz) Gitter (Austenit) und dem kubisch-raumzentrierten (krz) Gitter (Ferrit, Martensit und andere) finden Atom-Verschiebungen statt. Bei diesen Verschiebungen kann eine vorhandene mechanische Spannung zu zusätzlichen Gitterversetzungen führen.
Simulation
Die Umwandlungsplastizität bei der Umwandlung von Ferrit zu Austenit beim Aufheizen wird im allgemeinen vernachlässigt, da hier die Temperatur meistens hoch (ca. 800°C) und entsprechend die elastischen Grenzen niedrig sind. Bei der Rückumwandlung sind jedoch die Temperaturen geringer (ca. 300°C oder weniger) und die mechanischen Festigkeitswerte höher, so dass die Auswirkungen auf den Spannungs- und Verformungszustand gravierend sind.
Auch wenn allgemein akzeptiert ist,
- dass es den TRIP-Effekt gibt,
- dass dieser Effekt einen deutlichen Einfluss auf die Eigenspannungen hat und
- dass der unten gezeigte Formel-Zusammenhang zwischen Spannungen und Dehnungen mit K angemessen sein kann,
ist die Messung des Effektes an Materialproben schwierig. Praktikabel und praktiziert ist durchaus die Messung von Eigenspannungen an ausgeführten Schweißnähten und der Fit der Spannungs-Dehnungs-Funktion oder eines Wertes von K über eine Kalibrierung mit einer vergleichenden Simulation.
Simulation durch Anpassung der elastischen Grenze
Die Umwandlungsplastizität kann in der Simulation durch eine reduzierte elastische Grenze σel(Streckgrenze) im Temperaturintervall der Rückumwandlung abgebildet werden. Die Abbildung rechts zeigt eine solche Datenkombination. Das Beispiel zeigt ein Stoffgesetz, das eine Plastizität mit bilinearer Spannungs-Dehnungs-Funktion enthält. Die Spannungs-Dehnungs-Funktion (σ-ε) ist abhängig von der Temperatur (siehe linkes Teilbild). Die elastische Grenze der Funktion σel (bei vielen Werkstoffen ist hier die Streckgrenze eingesetzt) nimmt im allgemeinen mit zunehmender Temperatur ab. Zur Simulation der Umwandlungsplastizität kann im Temperaturintervall der Rückumwandlung (hier in diesem Beispiel etwa zwischen 300° und 200° bei der Abkühlung) die elastische Grenze "künstlich" herabgesetzt werden. Damit ergeben sich bei einer vorhandenen mechanischen Spannung höhere plastische (bleibende) Dehnungen, wenn das Material bei der Abkühlung dieses Temperaturintervall passiert.
Simulation durch Formel
Die Umwandlungsplastizität kann auch pauschal durch
simuliert werden. Der Zahlenwert K wird verwendet, um eine bleibende Dehnung zu berechnen, die während der Umwandlung zwischen ferritischer und austenitischer Phase bei der Abkühlung im Temperatur-Intervall TB..TA auftritt. Die SI-Einheit von K ist [Pa-1]. Übliche Zahlenwerte liegen im Bereich 10e-5 bis 30e-5 [MPa-1].
Selbststudium
Zum Selbststudium ist hier in einer Bildfolge beispielhaft dargestellt, welche Auswirkung der Effekt der Umwandlungsplastizität auf die Spannungen bei einem Schweißvorgang hat.
