"On the impact of micro- and nanostructural characteristics on the deformation behavior and mechanical properties of high- and medium-manganese steels"

Sevsek, Simon; Bleck, Wolfgang Peter (Thesis advisor); Molodov, Dmitri (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Kurzfassung

Aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften haben sich Hochmanganstähle (HMnS) und Mittelmanganstähle, unterstützt durch weltweite Forschungsaktivitäten, für die Anwendung als Leichtbaukomponenten in der Automobilindustrie empfohlen. Durch die Kontrolle der Stapelfehlerenergie (SFE) und der Mikrostruktur kann das Verfestigungsverhalten dieser Stähle gezielt eingestellt werden, sodass eine große Breite an Festigkeit-Duktilität Kombinationen realisierbar ist. Trotz der Vorteile und vielversprechenden Perspektiven konnten die HMnS und MMnS sich bislang gegen konventionelle hochfeste Stähle nicht etablieren, was primär durch ein mangelndes Verständnis der relevanten metallphysikalischen Einflussfaktoren auf die mechanischen Eigenschaften zu erklären ist. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit soll daher das Verständnis der skalenübergreifenden und kombinierten Auswirkungen mikro- und nanostruktureller Einflussfaktoren bezüglich der mechanischen Eigenschaften von HMnS und MMnS vertieft werden. Dazu wurde die experimentelle Prüfung der mechanischen Eigenschaften im Zugversuch mit den mikrostrukturellen Untersuchungsmethoden der Rasterelektronenmikroskopie, Messungen der Elektronenrückstreubeugung (EBSD), Röntgenbeugung (XRD), energiedispersiven Röntgenspektroskopien und Methoden der in-situ digitalen Bildkorrelation (DIC) kombiniert. Zusätzlich wurde der Einfluss der Formation von Nahordnungsphänomenen simulativ auf Basis vorliegender Berechnungen der Ordnungsenergien basierend auf der Dichtefunktionaltheorie untersucht. Durch die Verwendung von dichtefunktionaltheoretischen Simulationsergebnissen in der Modellierung der Fließgrenze von HMnS wurde der Beitrag von Nahordnungsphänomenen abgebildet. Dabei wurde der Einfluss von C, Mn und Al auf die Festigkeitssteigerung durch Nahordnungsphänomene von dem Einfluss auf die Mischkristallhärtung unterschieden. Die Effektivität der Festigkeitssteigerung bezüglich der nahgeordneten Cluster durch die Legierungselemente C und Al war dabei im Rahmen der üblichen Legierungsgehalte von HMnS sehr hoch. Die Effektivität von Legierungszugaben von Mn war durch die ohnehin hohen Legierungsgehalte in HMnS limitiert. Mithilfe der Untersuchung der verformungsinduzierten Zwillingsbildung (HMnS) in zwei HMnS konnte gezeigt werden, dass Nahordnungsphänomene die Verfestigungsrate während der plastischen Verformung durch die Unterstützung der Zwillingsbildung erhöhen. Der Vergleich des Verfestigungsverhaltens in Abhängigkeit der Verformungstemperatur in einem vollständig rekristallisierten, teilweise rekristallisierten und erholungsgeglühten Zustand zeigte, dass die Orientierungsabhängigkeit der verformungsinduzierten Zwillingsbildung den sägezahnartigen Verlauf der Fließkurve bewirkte. Durch die skalenübergreifende Beschreibung konnte dementsprechend der Einfluss von Nahordnungsphänomenen auf der Nanoskala auf das Verfestigungsverhalten auf der Mikroskala nachgewiesen werden, aus welchem die mechanischen Eigenschaften auf der Makroskala resultieren. Anschließende XRD und Makrotexturuntersuchungen sowie EBSD Experimente bezüglich des Einflusses der Korngröße wiesen nach, dass in HMnS mit feinkörniger Mikrostruktur die Fließgrenze deutlich erhöht ist, jedoch der TWIP-Effekt und die verformungsinduzierte Phasenumwandlung von Austenit zu Martensit (TRIP) teilweise unterdrückt werden. Die gewonnenen Erkenntnisse bezüglich des Einflusses der Mikrostruktur auf die Fließgrenze und das Verfestigungsverhalten in HMnS wurden auf den Anwendungsfall mehrphasiger MMnS übertragen. Mithilfe des Einsatzes von EBSD Experimenten und in-situ DIC Methoden während unterbrochener Zugversuche bei verschiedenen Dehnraten wurde nachgewiesen, dass die Dehnratenabhängigkeit der MMnS auf der Makroskala durch die Dehnratenabhängigkeit des TRIP-Effekts und der Aufteilung der plastischen Verformung auf die Mikrostrukturkomponenten verursacht wird.Abschließend wurde der Einfluss der Mikrostruktur auf die Fließgrenze und das Verfestigungsverhalten in HMnS und MMnS verglichen und die Bedeutung mikrostruktureller Homogenität für die mechanischen Eigenschaften herausgestellt. In diesem Zusammenhang wurde die Möglichkeit diskutiert, die Fließgrenze und das Verfestigungsverhalten unabhängig voneinander durch die Anpassung der Mikrostruktur einzustellen.

Einrichtungen

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

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