Um unsere Zukunft nachhaltig zu gestalten, werden von allen Branchen umweltfreundliche Lösungen gefordert. In Anbetracht des Klimawandels drängen die Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrien auf Leichtbaulsungen, z.B. durch den Einsatz von Materialien wie Aluminium und Magnesium, die sich durch eine hohe spezifische Festigkeit auszeichnen und weitere günstige Eigenschaften für Fahrzeuge aufweisen. Darüber hinaus bietet die Verbindung unterschiedlicher Materialien die Möglichkeit, Multi- Material-Strukturen zu erhalten, die Synergien der gewünschten Eigenschaften der verbundenen Materialien aufweisen. Abhängig von den Temperatur- und Druckbedingungen stellt sich jedoch beim Fügen unterschiedlicher Werkstoffe das Problem der Bildung intermetallischer Verbindungen an der Schweißnahtgrenze der verschiedenen Werkstoffe. In der Vergangenheit wurde versucht, die ungleichen Werkstoffe durch Schmelzschweißen zu verbinden, aber die daraus resultierenden Verbindungen wiesen aufgrund der Bildung einer übermäßigen große Schicht intermetallischer Verbindungen an der Verbindungsschnittstelle ungeeignete mechanische Eigenschaften auf. Prozess des Festphasefügens bieten die Möglichkeit, die Dicke der intermetallischen Verbindung zu begrenzen, da die Werkstoffe im Vergleich zu Schmelzschweißtechniken niedrigeren Temperaturen ausgesetzt werden. Da die Dicke der intermetallischen Schicht die mechanischen Eigenschaften der Verbindung bestimmen kann, ist das Verständnis der treibenden Mechanismen und der Entwicklung der intermetallischen Verbindungen in Festphase-Fügeverfahren von entscheidender Bedeutung. Ein Beispiel für ein Festphase-Fügeverfahren ist das Rührreibpunktschweißen, bei dem zwei Werkstoffe durch Diffusion verbunden werden, die durch Reibungserwärmung und starke plastische Verformung verstärkt wird. Dies impliziert, dass chemische (Temperatur/Diffusion) und mechanische (Dehnung) Effekte die Entwicklung der intermetallischen Verbindungen während des Prozesses steuern. In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung der intermetallischen Verbindungen, die sich an der Verbindungsstelle beim Fügen von Aluminium und Magnesium beim Rührreibpunktschweißen bilden, numerisch untersucht. Dabei werden chemische und mechanische Kräfte berücksichtigt, die die Entwicklung der intermetallischen Verbindung beeinflussen. Zunächst wird die Finite-Elemente-Methode zur Simulation des Rührreibpunktschweißens zum Fügen von Aluminium- und Magnesiumblechen verwendet, um das Temperatur- und Dehnungsprofil in der Schweißzone zu ermitteln, die wichtige Faktoren für die Entwicklung der intermetallischen Verbindung sind. Die Finite-Elemente-Methode wird häufig zur Vorhersage der thermischen und mechanischen Effekte in der Schweißzone verwendet, um ein besseres Verständnis der reibschlüssigen Fügeprozesse zu erlangen. Zu diesem Zweck wird ein vollständig gekoppeltes thermomechanisches Modell verwendet, dass das viskoplastische Materialverhalten der Materialien und die Wärmeentwicklung durch Reibung und plastische Verformung berücksichtigt. Das aus der Simulation gewonnene Temperaturprofil stimmt gut mit den experimentellen Beobachtungen überein. Neben der Temperatur ergibt die Simulation auch das Dehnungsprofil im Schweißnahtbereich, das in Bereiche eingeteilt wird, die entweder von der Werkzeugbewegung beeinflusst werden oder nicht. Anschließend wird ein Multi-Phasen-Feld Modell aufgesetzt, um die Entwicklung der intermetallischen Verbindungen an der Grenzfläche zwischen Aluminium und Magnesium zu simulieren und die erhaltene Morphologie und Kinetik in Anwesenheit verschiedener Triebkräfte zu untersuchen. Die Multi- Phasen-Feld-Methoden werden bei Untersuchungen zur Mikrostrukturevolution ausgiebig genutzt. Zu diesem Zweck werden verschiedene Beiträge zur Formulierung der gesamten freien Energie berücksichtigt: chemische, grenzflächenbezogene und mechanische, was zu einem rein chemischen Multi- Phasen-Feld Modell und einem chemisch-mechanischen Multi-Phasen-Feld Modell führt. Zur quantitativen Berechnung der chemische-freien Energie der intermetallischen Verbindungen und Bulk-phasen wird die CALPHAD-Methode angewandt. Die maximale Temperature und Dehnungswerte, die über die Simulationen des Rührreibpunktschweißprozesses erhalten wurden, werden als Eingabeparameter für die Multi-Phasen-Feld simulationen verwendet. Die Schichtdicke der intermetallischen Verbindung an der Schweißnaht wird mit den veröffentlichten experimentellen Ergebnissen verglichen und ergibt eine angemessene Übereinstimmung. Es wird auch gezeigt, dass die Berücksichtigung von weiteren Einfl¨ussen auf die Kinetik der intermetallischen Verbindung einen erheblichen Einfluss auf die Dicke der Verbindung hat. Schließlich wird auch die Auswirkung von Parametern wie Grenzflächenenergie, Korngrenzendiffusion und anf¨anglichem Gefüge untersucht und es wird gezeigt, dass sie sich auf die endgültige Morphologie und die Kinetik der intermetallischen Verbindungen auswirken. Die Kombination von numerischen Techniken wie der Finite-Elemente-Methode und der Multi-Phasen- Feld-Methode bietet einen Rahmen zur Untersuchung und Entwicklung intermetallischer Verbindungen in verschiedenen Festphase-Fügeverfahren und Werkstoffsystemen.weiterlesen