Teilprojekt C10: Verformungsverhalten von mehrphasigen Stählen

Dr.-Ing. D. Ponge, Dr.-Ing. S. Sandlöbes (Max-Planck Institut für Eisenforschung, Düsseldorf)

Dem SFB ist es für einphasig austenitischen hoch Mangan haltigen Stahl erfolgreich gelungen, das Verfestigungsverhalten und das mechanische Verhalten auf Grundlage der Austenitzusammensetzung und der entsprechenden SFE für Austenit als Bulkphase vorherzusagen. Dabei wurde gezeigt, dass die in der 1. und 2. Periode im SFB untersuchten hoch Mangan haltigen Stähle über eine ungewöhnliche Eigenschaftskombination mit hohen Streckgrenzen, hoher Duktilität und hoher Verfestigungsrate verfügen. Die bisherigen Studien im SFB haben jedoch auch gezeigt, dass Mn-Mikrosegregationen einen technologischen Einfluss auf die Prozessierbarkeit sowie auf die mechanischen Eigenschaften der hoch Mangan haltigen Stähle haben. Es wurde gezeigt, dass diese Mn-Mikroseigerungen zwar beherrschbar, jedoch nicht vermeidbar sind. Daher ist es ein Ziel in diesem Teilprojekt durch Reduzierung des Mn- und C-Gehaltes auf 5-12 Gew.-% Mn und 0,1-0,3 Gew.-% C einen Kompromiss zwischen mechanischen Eigenschaften, Mn-Segregationen und Prozessführung zu finden. Diese Reduzierung des Mn und C Gehaltes ergibt ein mehrphasiges Gefüge bestehend aus reversiertem Austenit eingebettet in eine martensitische Matrix. In einem solchen mehrphasigen Gefüge wird angenommen, dass eventuell auftretende Mn-Mikroseigerungen sich positiv auswirken, indem sie die Reversionskinetik des Austenits fördern. Durch diese Erweiterung von einphasig austenitischem zu mehrphasigem Gefüge ergibt sich die wichtige weiterführende wissenschaftliche Fragestellung, inwieweit die bisherigen Erkenntnisse zu dem Verformungs- und Verfestigungsverhalten von einphasigem Austenit auf in Martensit eingebettete Austenitinseln und -filme übertragen werden können. Hier stehen neben der Stapelfehlerenergie insbesondere die zusätzlichen Einflüsse von Korngröße und -morphologie sowie die Interaktion des Austenits mit der umgebenden Matrix im Vordergrund.


In dem Teilprojekt C10 werden die Verformungs- und Verfestigungsmechanismen in mehrphasigen Mittel-Mangan-Stählen untersucht. Durch geeignete Wärmebehandlung können mehrphasige Gefüge bestehend aus einer martensitischen Matrix mit eingebetteten Austenitinseln oder -filmen eingestellt werden. Die Morphologie, Dispersion und chemische Zusammensetzung der Austenitphase werden ausgehend von den bisher im SFB untersuchten Austenitzusammensetzungen systematisch variiert, um deren Einflüsse auf das Verformungs- und Verfestigungsverhalten zu untersuchen und so die mechanischen / technologischen Eigenschaften gezielt einzustellen. Hier wird insbesondere mit den Teilprojekten A3 und A5 eng zusammen gearbeitet werden.


Durch die Wärmebehandlung besteht die Möglichkeit, eine extreme Kornfeinung beider Phasen bis in den Nano-Bereich zu erzielen. Offene wissenschaftliche Fragestellungen in mehrphasigen Mittel-Mangan-Stählen sind hier die kombinierten Einflüsse von (i) Stapelfehlerenergie, (ii) der zuvor beschriebenen Kornfeinung und (iii) Austenitstabilität auf die Verformungsmechanismen des Austenits. Zur Unterdrückung von Fe3C-Bildung auch in industriellen Fertigungsprozessen sowie zur Modifikation der Stapelfehlerenergie wird Al zugegeben, welches zusätzlich einen positiven Effekt zur Minimierung der Wasserstoffversprödung bietet. Besonders wichtig für das Teilprojekt ist aber die Verringerung des Austenitanteils bei gegebener Wärmebehandlungstemperatur durch Al. Dabei wird eine höhere Anreicherung an Kohlenstoff und Mangan im Austenit ermöglicht, und dadurch die Stapelfehlerenergie und Stabilität erhöht. Bei Al-legiertem Material sind deutlich höhere Glühtemperaturen erforderlich, um ähnliche Austenitanteile mit vergleichbarer Zusammensetzung zu bekommen, als bei Al-freiem Material. Die mechanischen Eigenschaften der resultierenden gröberen Gefüge (Al-legiert) werden mit denen des feinkörnigeren Materials (Al-frei) verglichen.


In einer vorhergehenden Studie wurde gezeigt, dass durch eine gezielte Wärmebehandlung feine Austenitfilme an den Martensitkorngrenzen entstehen, welche einen entscheidenden positiven Effekt auf die Zähigkeit und damit die Schadenstoleranz haben. Dieses Phänomen wird in dem Teilprojekt C10 weiter untersucht. Hier stehen insbesondere die Fragen der Stapelfehlerenergie (SFE), der mechanischen Austenitstabilität sowie des Verformungsverhaltens des Austenits im Vordergrund.


Quasi-in-situ sowie in-situ DIC (digital image correlation) Methoden werden zur systematischen Korrelation von mechanischen Eigenschaften, Mikrostruktur, Partitionierung bzw. Lokalisierung der Dehnung und Verformungsmechanismen eingesetzt. Die Kinetik der Austenitreversion wird mittels hochauflösender Dilatometrie untersucht werden. Innerhalb des Teilprojektes C10 sowie in Kooperation mit den Teilprojekten C1 und C4 werden umfassende mikrostrukturelle Charakterisierungen mittels REM (Rasterelektronenmikroskopie), XRD (Röntgenbeugung), EBSD (electron backscatter diffraction), ECCI (electron channelling contrast imaging), TEM (Transmissionselektronenmikroskopie) durchgeführt.