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5 Temperaturfeldberechnung 5.3 Thermodynamische Werkstoffkennwerte Zu den für die Temperaturfeldberechnung benötigten Werkstoffkennwerten gehören die Wärmeleitfähigkeit, die Dichte und die spezifische Wärmekapazität (sc. Abschnitt 5.1). Diese Werkstoffkennwerte sind temperatur- und gefügeabhängig. Sie werden getrennt für die Phasen Ferrit, Bainit, Martensit mit kubisch- bzw. tetragonal-raumzentriertem Kristallgitter und für die γ-Phase Austenit mit kubisch-flächenzentriertem Kristallgitter definiert. Die in Abbildung 5.2 über der Temperatur aufgetragenen Wärmeleitfähigkeiten für die α- und γ-Phase wurden aus Richter [Ric83] den Werten für Kesselstahl H II und den Werten für austenitische Chrom-Nickel-Stähle entnommen. Für den Bereich über der Schmelztemperatur von 1500 ◦ C wird ein linearer Anstieg der Wärmeleitfähigkeit auf 400 W m K bei 3000 ◦ C angesetzt, um die konvektiven Vorgänge im Schmelzbad zu approximieren [PW05a, Ham96, GM05]. Der verwendete und in Abbildung 5.3 dargestellte temperaturabhängige Verlauf der Dichte aus Richter [Ric73] wird durch Messungen von Peil und Wichers [PW05b] bestätigt. Die dritte für die Temperaturfeldberechnung notwendige Größe ist die spezifische Wärmekapazität c. Sie ist ein Maß für die Wärmemenge, die vom Bauteil aufgenommen wird, wenn es um 1K erwärmt wird. Die für die Berechnungen angesetzte spezifische Wärmekapazität ist für die α- und γ-Phase in Abbildung 5.4 über der Temperatur aufgetragen. Die spezifische Enthalpie h beschreibt die bei einer bestimmten Temperatur im Bauteil enthaltene Wärme. Bei der Phasenumwandlung wird wie beim Schmelzen oder beim Verdampfen Wärme aufgenommen oder freigesetzt, ohne daß sich die Temperatur ändert. Diese Wärme wird latente Wärme genannt. Durch die latente Wärme erhöht sich die spezifische Enthalpie im Bereich der Umwandlungstemperatur. Die Enthalpiekurve besitzt an dieser Stelle einen Sprung. Da mit Sysweld die Phasenumwandlung in Abhängigkeit vom Temperaturfeld berechnet wird und der Temperaturbereich der Umwandlung variabel ist, ist die Definition einer festen Enthalpiekurve ungeeignet. 66
5 Temperaturfeldberechnung Wärmeleitfähigkeit in W/(mK) 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 -Phase -Phase 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Temperatur in °C Abbildung 5.2: Wärmeleitfähigkeit von Stahl 8000 7900 7800 7700 -Phase Dichte in kg/m³ 7600 7500 7400 7300 -Phase 7200 7100 7000 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Temperatur in °C Abbildung 5.3: Dichte von Stahl 67
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SCHRIFTENREIHE BAND 1 INGENIEURBÜR
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