Modellierung komplexer Festkörper-Diffusionsprozesse mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente

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Die quantitative Beschreibung komplexer Prozesse, deren Gesamtkinetik wesentlich von Festkörper-Diffusionsprozessen beeinflusst wird, besitzt in der industriell orientierten Werkstofftechnik und der Materialwissenschaft gleichermaßen große Wichtigkeit. Durch den Einsatz der Finite-Elemente-Methode als numerisches Lösungsverfahren soll eine entscheidende Verbesserung in der realistischen Werkstoffmodellierung und Simulation erzielt werden. Im Themenbereich der Gasaufkohlung, die eines der wirtschaftlich bedeutsamsten Härtungsverfahren darstellt, soll die für die Prozessregelung maßgebliche Vorhersage von Kohlenstoffprofilen durch eine modifizierte Werkstoffmodellierung entscheidend verbessert werden. Auch auf dem Gebiet der quantitativen Beschreibung des inversen thermochemischen Vorgangs der Randentkohlung, die als unerwünschte Nebenerscheinung verschiedener Wärmebehandlungsverfahren zu beträchtlichen wirtschaftlichen Verlusten führt, soll die Analyse verbessert und eine realistische Prognose von resultierenden Kohlenstofftiefenverläufen erreicht werden. Als weitere komplexe FestkörperDiffusionsprozesse sollen die innere Oxidation (z.B. Berücksichtigung der Gegendiffusion mit konzentrationsabhängigem Diffusionskoeffizienten und des Einflusses von Seigerungen), die Segregation von Sauerstoff an inneren Metall/Oxid-Phasengrenzen (verallg. Simulation der Ein- und Ausdiffusion mit Adsorption bzw. Desorption) und die OSTWALD-Reifung (direkte Simulation der relevanten Differentialgleichungen) verbessert modelliert werden. Dabei kommt der Berücksichtigung realistischer 2D- und 3D-Teilchenverteilungen, die durch Bildanalyse mikroskopischer Aufnahmen geeignet modelliert werden, im Rahmen der Segregation und inneren Oxidation als Eingabedaten eine besondere Bedeutung zu. Die Ergebnisse sollen in Zusammenarbeit mit den projektbegleitenden Partnern experimentell verifiziert werden.