Mikrostrukturelle Beschreibung von Verformung und Schädigung hochmanganhaltiger Stähle mit TRIP- und TWIP-Effekt

  • Microstructure based modeling of deformation and fracture of high manganese steels with TRIP- and TWIP-effect

Twardowski, Raphael; Bleck, Wolfgang (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2013, 2014)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Kurzfassung

In der vorliegenden Arbeit wird ein mikromechanisches Modell, basierend auf der Methode der repräsentativen Volumenelemente, für hochmanganhaltige Stähle mit dem TWIP- und TRIP-Effekt entwickelt. Die vollständig austenitische Gefügestruktur des hier untersuchten X60Mn22 Stahls wird mit Hilfe der Voronoitesselation geometrisch beschrieben. Das plastische Verhalten des Werkstoffes wird durch ein versetzungsdichtebasiertes Materialmodell und das Versagen unter Berücksichtigung der Spannungsmehrachsigkeit berechnet. Die notwendigen Modellparameter werden mit Hilfe von experimentellen Untersuchungen bestimmt. Dazu zählen Synchrotron- und EBSD Methoden zur Quantifizierung der einzelnen Verformungsphasen und unterbrochene Zugversuche im Rasterelektronenmikroskop für die Beurteilung der Schädigungsvorgänge. Die experimentelle Bestimmung mechanischer Zwillingsanteile, wie auch des Epsilon-Martensit, konnte für unterschiedliche Gefüge und Temperaturbereiche in Abhängigkeit der Dehnung durchgeführt werden. Entsprechend der Temperatur und der Legierung kann der aktive Verformungsmechanismus gut vorhergesagt werden. Die Art des Mechanismus richtet sich dabei in erster Linie nach der Stapelfehlerenergie. Befindet sich der Wert der Stapelfehlerenergie im Bereich von 20 mJ/m2, entscheiden lokale Heterogenitäten darüber, ob mechanische Zwillingsbildung oder die martensitische Phasenumwandlung zur Verfestigung beitragen. Durch die Berücksichtigung der Stapelfehlerenergie im numerischen Modell konnte der Einfluss der chemischen Zusammensetzung und der Temperatur entsprechend den experimentellen Ergebnissen gezeigt werden. Aufgrund der kontinuierlichen Verfestigung in dieser Werkstoffgruppe wird eine kritische Lokalisierung hinausgezögert. Unterbrochene Zugversuche haben gezeigt, dass bis zum Erreichen der Bruchdehnung keine nennenswerte Porenbildung stattfindet. Die aufgrund der fehlenden Einschnürung geringe Mehrachsigkeit unterdrückt das Wachstum von Mikroporen, welche sich an Schnittpunkten von Zwillingslamellen und Korngrenzen bilden. Unmittelbar vor dem Versagen kann sich der Werkstoff nicht mehr weiter verfestigen und es kommt zur Lokalisierung. Die numerische Betrachtung des Versagens stimmt mit experimentellen Ergebnissen überein. Auf Mikroebene konnte gezeigt werden, dass insbesondere heterogene Verteilungen von Zwillingen und Epsilon-Martensit ungünstig für das Versagen sein können.

Einrichtungen

  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
  • Lehrstuhl für Werkstofftechnik der Metalle und Institut für Eisenhüttenkunde [522110]

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