Cloud I Strain Hardening Engineering

PD Dr. rer. nat. F. Roters (Max-Planck Institut für Eisenforschung, Düsseldorf)

Hoch Mangan Stähle bieten die einzigartige Möglichkeit, durch Legierungsvariation bevorzugt auftretende Verformungs­mechanismen SLIP, TWIP, TRIP und MBIP und dadurch unabhängig vom Festigkeitsniveau gezielt das Verfestigungs­verhalten zu beeinflussen. Die Heraus­forderung besteht darin, die zur Verfügung stehenden Mechanismen einzeln oder in Kombination gezielt einzu­setzen, um Werkstoffe für spezifische Anforderungen wie Umformung oder Crash maßzuschneidern. Cloud I widmet sich der folgenden Forschungsfrage:

Wie können die Verfestigungsmechanismen von hoch Mangan Stählen genutzt werden, um für unterschiedliche Anwendungen ein optimales Verfestigungsverhalten zu erzielen?

Ziel der Arbeiten ist es, durch Verständnis der Zusammenhänge zwischen chemischer Zusammensetzung, Mikrostruktur, aktivierten Verformungsmechanismen und den resultierenden Verfestigungseigenschaften eine optimale Einstellung des Verfestigungsverhaltens für ausgewählte Anwendungsfälle zu ermöglichen (Bild 16). Hierbei steuert die chemische Zusammensetzung das Verfestigungsverhalten u.a. über die Stapelfehlerenergie, die Mischkristallverfestigung und Nahordnungsphänomene. Entlang der Prozesskette werden weitere mikrostrukturelle Merkmale (Elementverteilung, Korngröße, Textur etc.) eingestellt, die das Verfestigungsverhalten kontrollieren.

    Vision des "Strain Hardening Engineering: gezielte Einstellung der Verfestigung durch Steuerung von chemischer Zusammensetzung, Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften

Vision des "Strain Hardening Engineering: gezielte Einstellung der Verfestigung durch Steuerung von chemischer Zusammensetzung, Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften

Bei konventionellen Stählen ist es üblich, die mechanischen Eigenschaften auf Basis des vorliegenden Werkstoffgefüges zu erklären und quantitativ vorherzusagen. Definitionsgemäß beschreibt das Gefüge eines Werkstoffs die Art, Form, Größe, Verteilung und Orientierung von Phasen und Grenzflächen. Bei hoch Mangan Stählen genügt eine Quantifizierung der lichtmikroskopisch sichtbaren Gefügebestandteile jedoch nicht mehr zur Ableitung von Gefüge-Eigenschaftskorrelationen, da das Verfestigungsverhalten maßgeblich durch Strukturen auf der Nanometer-Skala bestimmt wird. Demzufolge ist es notwendig, hoch Mangan Stähle unter Berücksichtigung der Gefügestrukturen auf der Nano-Skala zu beschreiben und schlussendlich gezielt durch die Produktionsprozesse einzustellen.

Cloud I befasst sich

  • mit der Charakterisierung der Gefügestrukturen (überwiegend auf der Nano-Skala) und der Verfestigungseigenschaften von ausgewählten hoch Mangan Stählen
  • mit der Herleitung quantitativer physikalischer Zusammenhänge zwischen den Gefügestrukturen und den resultierenden Verfestigungseigenschaften
  • mit der gezielten Einstellung erwünschter Verfestigungseigenschaften durch Legierungs­design und Modifikation der Gefügestrukturen entlang der Prozesskette
Beeinflussung durch Werkstoffdesign: Fließkurven verschiedener hoch Mangan Stähle nach vollständiger Rekristallisation
Beeinflussung durch Werkstoffdesign: Fließkurven verschiedener hoch Mangan Stähle nach vollständiger Rekristallisation

 

Beeinflussung durch Prozessdesign: Fließkurven von kaltgewalztem Stahl X30Mn28 mit verschiedenen Glühparametern
Beeinflussung durch Prozessdesign: Fließkurven von kaltgewalztem Stahl X30Mn28 mit verschiedenen Glühparametern

 

 

Das Ziel ist es, möglichst ideale, auf die Anwendung abgestimmte Verfestigungseigenschaften zu realisieren. Als wichtige potenzielle Anwendung für hoch Mangan Stähle soll in Cloud I zunächst das Energie­absorptionsvermögen unter Crashbelastung gezielt eingestellt werden. Hoch Mangan Stähle weisen aufgrund ihrer außergewöhnlichen Kombination aus Festigkeit und Bruchdehnung zwar prinzipiell ein hohes spezifisches Energieabsorptionsvermögen auf. Im SFB konnte bereits gezeigt werden, dass sich sowohl durch Variation der Legierungszusammensetzung als auch durch unterschiedliche Glühbehandlungen signifikant unterschiedliche Werkstoffeigenschaften ergeben (Bild 17). Es stellte sich jedoch heraus, dass das hohe Verfestigungspotential durch Anpassung des Bauteildesigns für die technische Nutzung erst verfüg­bar gemacht werden muss. Für die Maximierung des Energieabsorptionsvermögens eines Bauteils ist es daher notwendig, die Verformungsmechanismen an das dynamische Beul- und Versagensverhalten der Bauteilstruktur anzupassen. Diese Aufgabenstellung verbindet mehrere Teilprojekte aus den Bereichen A, B und C, welche die Startkonfiguration der Cloud I bilden.


Strain_Hardening_Engineering [5.6 M]