Teilprojekt C3: Lokale mechanische Eigenschaften von Mn-basierten Stählen

C3 lokale mechanische Eigenschaften
lokale mechanische Eigenschaften

Prof. J. Schneider Ph.D. / PD D. Music Ph.D. (Institut für Werkstoffchemie, RWTH Aachen University)

Ziel des Teilprojekts C3 ist die Erforschung der grenzflächendominierten Phänomene zur Einstellung der lokalen mechanischen Eigenschaften von mehrphasigen Mn-legierten Stählen. Modellsysteme mit definierten, chemisch gradierten 2D-Grenzflächen (γ/α und γ/κ) werden mit Hilfe der Dünnschichttechnologie synthetisiert und mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TP C1) und Atomsondentomographie (TP C3: Dünnschichten, TP C8: Bulkproben) charakterisiert. Auf Grundlage der in TP A1 und A2 gewonnen ab initio-Strukturdaten dieser Grenzflächen wird die ab initio-Separationsarbeit berechnet, um deren Vorhersagefähigkeit bzgl. der mechanischen Eigenschaften nanostrukturierter Werkstoffe zu evaluieren.

Bisherige Phase

Die Entwicklung neuer Stähle erfolgt häufig mit rein experimentellen Methoden. In jüngster Zeit wurden allerdings Bemühungen gestartet, den sog. Design-Prozeß auf der Grundlage von modellgestützten Methoden zu vollziehen. Der Zusammenhang zwischen Struktur, Zusammensetzung und elastischen Eigenschaften im System Fe-Mn-C ist bisher jedoch noch nicht durch ab initio-Berechnungen beschrieben worden.

Wir beabsichtigen, lokale mechanische Eigenschaften der Fe-Mn-C-Stähle sowohl mit experimentellen als auch mit theoretischen Methoden zu studieren. Der Elastizitätsmodul und die Härtewerte werden mit Hilfe eines Nanoindenters gemessen. Für die theoretischen Arbeiten setzen wir „Vienna ab initio software package“ (VASP), das auf der Dichte-Funktional-Theorie beruht, und „Exact Muffin-Tin Orbitals“ (EMTO) ein. Zunächst sollen alle elastischen Konstanten berechnet und dann mit den experimentell bestimmten Werten verglichen werden. Dies wird in Kooperation mit TP A7 (Kontinuumsmodell) durchgeführt. Die von uns berechneten elastischen Konstanten werden im TP A7 benutzt, um Elastizitätsmodulwerte abzuleiten, welche dann in den TP A5, A6 und B2 zur Modellierung verwendet werden. Wir werden auch dünne Schichten aus Fe-Mn-C-x durch kombinatorische Materialsynthese abgescheiden und danach die Korrelation zwischen Struktur, chemischer Zusammensetzung und elastischen Eigenschaften ermitteln. Diese Korrelation wird an B1 kommuniziert und geht dort in die Optimierung der Zusammensetzung ein. Dieser Syntheseweg erlaubt die Abscheidung chemisch wohldefinierter Dünnschichten und ermöglicht damit eine exakte Korrelation der chemischen Zusammensetzung (Legierungselement x) mit den elastischen Eigenschaften.

Es ist unser Bestreben, zum Verständnis der Korrelation zwischen Struktur, chemischer Zusammensetzung und elastischen Eigenschaften beizutragen, wobei unsere spezifischen Ziele sind:

1. Bestimmung der elastischen Eigenschaften von Fe-Mn-C-Stählen mit Hilfe von Nanoindentation und ab initio-Berechnungen.

2. Systematische Untersuchung des Einflusses der Legierungselemente auf die elastischen Eigenschaften von Fe-Mn-C-x-Stählen (x = Al und Si) mittels ab initio-Berechnungen und Nanoindantation.

Bisherige Arbeiten und ausgewählte Ergebnisse des TP C3

Bei der kombinatorischen Materialsynthese, wie sie im TP C3 verwendet wird, werden Fe-Mn-X (X: weitere Legierungselemente) Dünnschichten mittels physikalischer Gasphasenabscheidung auf geeigneten Substraten abgeschieden. Aufgrund der geometrischen Anordnung der Kathoden in der Beschichtungskammer weisen die abgeschiedenen Dünnschichten einen Gradienten in der chemischen Zusammensetzung auf. Damit stellt die kombinatorische Materialsynthese eine effiziente Herangehensweise zur Untersuchung des Einflusses der chemischen Zusammensetzung auf die elastischen Eigenschaften von hochmanganhaltigen Stählen dar.

Abb.1: Experimenteller Aufbau in der Beschichtungskammer Abb.2: Mn-Gradient einer ternären Fe-Mn-Si-Probe
Abb.1: Experimenteller Aufbau in der Beschichtungskammer Abb.2: Mn-Gradient einer ternären Fe-Mn-Si-Probe

 

Beispielhaft ist der experimentelle Aufbau für die Abscheidung von ternären Fe-Mn-Si Dünnschichten in Abbildung 1 dargestellt. Es wurden drei Kathoden benutzt, die mit elementaren Fe- bzw. Si-Targets sowie mit einem Fe-Mn-Compoundtarget bestückt wurden. Die in diesem Fall nicht verwendete vierte Kathode wurde mit einem Shutter verschlossen. Auf diese Weise wurden 2 µm dicke Schichten auf beheizte, 50 mm große Saphirwafer abgeschieden. Zur weiteren ortsaufgelösten Charakterisierung der gradierten Schichten wurde anschließend ein Raster mit 145 Positionen mit einer lateralen Auflösung von 2,5 mm auf die Proben aufgebracht. Die chemische Zusammensetzung wurde mittels energiedispersiver Röntgenanalyse bestimmt. Abbildung 2 zeigt einen Probenhalter mit überlagerter Verteilung des Mn-Gehalts sowie schematisch das aufgebrachte Raster einer typischen Probe. Die dargestellte Fe-Mn-Si-Dünnschicht weist einen Gradienten mit Mn-Gehalten von 25 bis 36 at.-% mit Si-Zugaben bis zu 6 at.-% auf. Anschließend wurden die Dünnschichten hinsichtlich ihrer Phasenkonstitution mittels fokussierter Röntgenbeugung mit einem Röntgendiffraktometer, ausgestattet mit einem Flächendetektor zur schnellen Analyse, untersucht. Ziel ist die Darstellung von austenitischen Dünnschichten. Die elastischen Eigenschaften in Abhängigkeit der chemischen Zusammensetzung (E-Modul und Nanohärte) wurden mittels Nanoindentation gemessen.

Die Experimente dienen der Validierung unserer ab initio Berechnungen der elastischen Eigenschaften von hochmanganhaltigen Stählen. Abbildung 3 zeigt die berechneten elastischen Konstanten und lokalen magnetischen Momenten von paramagnetischen binären austenitischen Fe-Mn-Legierungen als Funktion des Mn-Gehalts1. Die C44-Werte sind im Bereich von 135 – 138 GPa und somit nahezu unabhängig vom Mn-Gehalt. (C11 C12)/2 ist ebenso unabhängig vom Mn-Gehalt, wohingegen C11 und C12 ein ganz anderes Verhalten aufweisen. Wenn der Mn-Gehalt von 5 auf 10 at-% steigt, steigen auch die C11 und C12 leicht von 198 bzw. 138 GPa auf 211 bzw. 153 GPa. Eine weitere Erhöhung des Mn-Gehalts bis zu 40 at-% führt zu einer Abnahme auf 157 bzw. 93 GPa. Das lokale magnetische Moment für Fe bzw. Mn fällt von 1,62 auf 1,33 µB bzw. von 1,43 auf 0,87 µB, wenn der Mn-Gehalt von 5 auf 40 at-% zunimmt. Das Verhalten der elastischen Konstanten kann auf Basis des sogenannten Magnet-Volumen-Effekts erklärt werden. Außerdem ist festzuhalten, dass, sogar oberhalb der Néel-Temperatur, der Magnetismus in Fe-Mn-Legierungen einen starken Einfluss auf die elastischen Eigenschaften hat.

Abb.3: Berechnete elastische Konstanten sowie lokale magnetische Momente von Fe und Mn
Abb.3: Berechnete elastische Konstanten sowie lokale magnetische Momente von Fe und Mn

 

1 D. Music et al., "Elastic properties of Fe-Mn random alloys studied by ab initio calculations," Appl. Phys. Lett. 91 (19), 191904 (2007)

 

Die Arbeit des TP C3 wurde zu einer kurzen Sequenz als Online-Vorlesung auf YouTube aufbereitet: