Materials design of high nitrogen manganese austenitic stainless TWIP steels for strip casting

  • Entwicklung austenitischer Fe-Cr-Mn-N TWIP Stähle für das Bandgießen

Mosecker, Linda; Bleck, Wolfgang (Thesis advisor); Mayer, Joachim (Thesis advisor)

Aachen (2016)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

Kurzfassung

Austenitische hoch-stickstofflegierte TWIP Stähle weisen attraktive mechanische Eigenschaften und ein exzellentes Verfestigungsverhalten auf. Die konventionelle schmelzmetallurgische Herstellung stickstofflegierter Stähle erfolgt in der Regel im Vakuum unter hohen Drücken, um eine hinreichende Löslichkeit von Stickstoff in der Schmelze zu realisieren. Das Dünnbandgießen stellt dabei eine vielversprechende Alternative dar, mit der neben einer drastischen Verkürzung der Prozessroute auch ein Legieren mit Stickstoff bei Atmosphärendruck möglich ist. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode für das Legierungsdesign austenitischer Fe-Cr-Mn-N Stähle zur Herstellung über das Dünnbandgießen vorgestellt. Auf Basis thermodynamischer Berechnungen der Gibbs Energie (ΔGγ→ε) und Stapelfehlerenergie (SFE) unter Verwendung der CALPHAD Methode wurde ein Model zur Vorhersage und kontrollierten Einstellung der thermischen und mechanischen Phasenstabilität entwickelt. Eine variable, legierungsabhängige Grenzflächenenergie, ϭγ/ε, wird definiert und der Einfluss von Wechselwirkungsparametern höherer Ordnung sowie die Berücksichtigung eines Dehnungsenergie Terms auf die SFE diskutiert. Fe-Cr-Mn-N Legierungen mit nomineller chemischen Zusammensetzung im Bereich von 13-14 Gew.% Cr, 20-26 Gew.% Mn und 0.4-0.6 Gew.% N wurden über Bandgießen im Labor- und Industriemaßstab hergestellt. Die Stickstofflöslichkeit in der Schmelze und die Phasenstabilität während der Erstarrung bei Umgebungsdruck wird mithilfe thermodynamischer Modelle als Funktion des Chrom-Mangan Gehaltes berechnet. Die Charakterisierung der Gefüge im Guss- und kaltgewalzten/ rekristallisierten Zustand der Bleche hinsichtlich des sekundären Dendritenarmabstandes und der Korngrößen-Verteilung erfolgt mittels Lichtmikroskopie und Elektronenstrahlmikroanalyse. Die Analysen der Phasenverteilung und Verformungsmikrostrukturen in Bezug auf den Charakter und die Lage von Korn- und Subkorngrenzen, die Verteilung von Körnern mit unterschiedlicher Orientierung und lokale Dehnungsunterschiede erfolgen mittels Röntgenbeugungsanalyse und Elektronenrückstreu-Beugung. Die Verformungsmechanismen und mechanischen Eigenschaften der untersuchten Fe-Cr-Mn-N Stähle werden in Anhängigkeit von der Temperatur, der SFE und Nahordnungsphänomenen (SRO) diskutiert. Die Unterschiede im Verfestigungsverhalten der Bleche im guss- und kaltgewalzten/rekristallisierten Zustand wird anhand der Korngröße, Dichte und Verteilung von Versetzungssubstrukturen und der kritischen Spannung für den Beginn der Zwillingsbildung erörtert. Das Fließverhalten im quasistatischen Zugversuch für den untersuchten Temperaturbereich zwischen -150 to 250°C ist homogen; Instabilitäten in der Fließkurve treten nicht auf. Die Absenz der Reckalterung wird auf die Art der Nahordnung und die daraus resultierende Aktivierungsenergie der Neuorientierung der Punktdefekte zurückgeführt. Die SFE der untersuchten Stähle bei Raumtemperatur wird zwischen 24-31 mJ/m² benannt und die mechanische Zwillingsbildung als dominanter sekundärer Verformungsmechanismus definiert. Daraus resultiert eine hohe Verfestigungsrate und Verformbarkeit der Materialien. Das Auftreten von mechanischer Zwillingsbildung im hohen Temperaturbereich um 250°C wird mit dem Einfluss von Stickstoff auf die Versetzungsbildung und -anordnung sowie auf die Wahrscheinlichkeit der Ausbildung von Cr-N SRO erklärt. Es wird angenommen, dass mit zunehmendem Gehalt an gelöstem Stickstoff der Einfluss der SFE auf die Aktivität und den Charakter der Verformungszwillinge geringer ist. Die Temperatursensitivität der Streckgrenze im thermischen und athermischen Temperaturbereich nimmt mit höherem Stickstoff Gehalt zu. Im Vergleich zu konventionellen hoch Mangan TWIP Stählen, zeichnen sich die untersuchten hochstickstofflegieren Fe-Cr-Mn Stähle durch außergewöhnlich hohe Fließspannungen und ein hervorragendes Verfestigungsvermögen mit Streckgrenzen bis zu 660 MPa und Dehnungen bis 47 % aus; was diese Stähle außerordentlich attraktiv für ein breites Anwendungsspektrum im Automobilbereich macht.

Einrichtungen

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

Identifikationsnummern