Texture and microstructure evolution during deformation and annealing of high-manganese TWIP steels

  • Textur- und Mikrostrukturentwicklung in hochmanganhaltigen TWIP-Stählen während der Verformung und Wärmebehandlung

Haase, Christian; Molodov, Dmitri A. (Thesis advisor); Bleck, Wolfgang (Thesis advisor)

Aachen (2016)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen, 2016

Kurzfassung

Hochmanganhaltige Twinning-Induced Plasticity (engl. für durch mechanische Zwillingsbildung induzierte Plastizität) (TWIP)-Stähle haben in den letzten beiden Jahrzehnten weltweit sowohl das wissenschaftliche als auch das industrielle Interesse geweckt. Dieses Interesse begründet sich hauptsächlich durch die herausragenden mechanischen Eigenschaften dieser Materialien. Obwohl TWIP-Stähle durch ihre Eigenschaften als optimale Kandidaten für sicherheitsrelevante Strukturbauteile in Automobilen gelten, ist ihre bisherige Verwendung stark limitiert. Dies liegt vor allem an dem mangelnden Verständnis für die metallphysikalischen Prozesse in diesen Stählen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, zu einem besseren Verständnis für die zugrundeliegenden Mechanismen, die das Verformungs- und Wärmebehandlungsverhalten bestimmen, beizutragen. Hierzu wurden die Mikrostruktur- und Texturentwicklung von drei TWIP-Stählen mit geringer Stapelfehlerenergie (SFE) (25 mJ/m2 - 29 mJ/m2) analysiert und miteinander korreliert. Für die Untersuchung des Verformungsverhaltens wurden die verwendeten TWIP-Stähle zum einen kaltgewalzt und zum anderen mittels Equal-Channel Angular Pressing (ECAP) verformt. Hierbei wurden sowohl der Einfluss des Verformungsweges als auch der SFE betrachtet. Sowohl die kaltgewalzten als auch die mittels ECAP verformten Proben wurden einer anschließenden Wärmebehandlung unterzogen, um das Materialverhalten während der Glühung zu charakterisieren. Die eingestellten Mikrostrukturen wurden mit dem Verformungsverhalten korreliert. Die Mikrostruktur- und Texturcharakterisierung erfolge mit Hilfe von Lichtmikroskopie, REM/EBSD, TEM und Röntgenbeugung. Die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften erfolgte mittels einachsiger und mehrachsiger Verformungsversuche. Des Weiteren wurden Computersimulationen unter Verwendung von CP-FEM-, VPSC- und zellulären Automaten (CA)-Modellen genutzt, um die relevanten Mechanismen detailliert untersuchen und besser verstehen zu können.Während der Kaltwalzprozesse formte sich bei geringen Walzgraden (10%-20%) eine Kupfertextur mit den Texturkomponenten Cu, S und Messing. Bei Erhöhung des Umformgrades (30%-50%) durchlief die Texturentwicklung zunächst eine Übergangsphase bis sich bei hohen Walzgraden (60%-80%) eine Messingtextur mit den Haupttexturlagen Messing, Goss, CuT und S mit einer zusätzlichen γ-Faser ausbildete. Im Gegensatz dazu verursachten die starke plastische Scherverformung und die geänderte SFE während der Verformung mittels ECAP bei 300°C für 1-4 Durchgänge über Route BC eine stark abweichende Mikrostrukturentwicklung. Infolge geringerer Zwillingsbildung bei der ECAP-Verformung wurde eine Übergangstextur ausgebildet.Bei der anschließenden Wärmebehandlung wurden sowohl statische Erholung als auch diskontinuierliche Rekristallisation aktiviert. Die Rekristallisationstexturen des gewalzten und des über ECAP verformten Materials konnten als schwache Verformungstexturen identifiziert werden. Hierbei wurden die Verformungstexturkomponenten durch orientierte Keimbildung beibehalten und die Textur durch die Bildung von Rekristallisationszwillingen abgeschwächt. Der Einfluss von Mikrostrukturheterogenitäten, wie zum Beispiel heterogen verteilten Versetzungs- und Rekristallisationskeimdichten, wurden durch gekoppelte CP-FEM und CA Simulationsstudien analysiert. Aufgrund der Notwendigkeit, dass die Streckgrenze von TWIP-Stählen für deren praktische Anwendung erhöht werden muss, wurde eine Prozessroute bestehend aus Kaltwalzen und Erholungsglühung vorgeschlagen und auf zwei der verwendeten TWIP-Stähle angewendet. Um das Materialverhalten während dieser Prozesskette zu analysieren, wurden die resultierenden mechanischen Eigenschaften mit den bei der Wärmebehandlung ablaufenden metallphysikalischen Prozessen und den entscheidenden mikrostrukturellen Änderungen korreliert. Außerdem wurde eine neue Methode entwickelt, die es erlaubt die optimalen Verformungs- und Glühparameter mit Hilfe der Texturanalyse zuverlässig zu bestimmen. Aufbauend auf der vorgeschlagenen Prozessroute wurden das Potential und die Limitierungen von erholungsgeglühten TWIP-Stählen untersucht und diskutiert.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Werkstoffphysik und Institut für Metallkunde und Materialphysik [523110]
  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
  • Lehrstuhl für Werkstofftechnik der Metalle und Institut für Eisenhüttenkunde [522110]

Identifikationsnummern