Cloud II Interface Engineering

Dr. T. Hickel (Max-Planck Institut für Eisenforschung, Düsseldorf), PD Dr. D. Music (Institut für Werkstoffchemie, RWTH Aachen University)

Ein zweites zentrales Forschungsthema des SFB in der dritten Förderperiode wird die Auswirkung Grenzflächen-dominierter Prozesse auf die mechanischen Eigenschaften der untersuchten Stähle sein. Grenzflächen waren bereits in den vorherigen Förderperioden von zentraler Bedeutung. Das gilt insbesondere für die Zwillingsgrenzen, ohne die ein TWIP-Effekt gar nicht möglich ist. Grenzflächen waren nicht nur entscheidend für Simulationen, sondern wurden auch mit hochauflösenden Methoden charakterisiert. Darüber hinaus sind Korngrenzen ein wichtiger Bestandteil bei der Ausbildung von Gefügen während der Prozessierung und bestimmen daher die mechanischen Eigenschaften entscheidend mit. Sie wurden daher insbesondere in der Phasenfeldsimulation, aber auch mittels ab initio Methoden, Molekulardynamik und in konstitutiven Modellen ausführlich simuliert.

Die Materialkonzepte der dritten Förderperiode sorgen nun aber dafür, dass insbesondere heterogene Grenzflächen für die mechanischen Eigenschaften der Stähle wichtig werden. Das gilt zum einen für die Grenzflächen zwischen k-Phase und austenitischem Matrixmaterial in hoch Mangan Stählen, aber zum anderen auch für die Grenzfläche zwischen verschiedenen Stahlphasen wie Ferrit, Martensit und Austenit in mittel Mangan Stählen. Die wissenschaftliche Fragestellung dieser Cloud II lautet:

Behalten die Einzelphasen in einem mehrphasigen Gefüge ihre generischen Eigenschaften oder werden diese durch Effekte an den Grenzflächen beeinflusst?

Dazu gehören Fragen wie: Wird eine k-Phase in einer austenitischen Matrix ihren ferromagnetischen Grundzustand einstellen oder wird der Magnetismus durch die Grenzfläche zum paramagnetischen Austenit dominiert? Reagiert eine Austenit-Insel in einem mittel Mangan Stahl bei mechanischer Verspannung wie ein reiner Austenit mit gleicher chemischer Zusammensetzung oder wird die Fähigkeit zum TWIP-Effekt durch die Anwesenheit der Grenzfläche beeinflusst? Derartige Phänomene, die mit diesen heterogenen Grenzflächen in Verbindung stehen, sollen in Cloud II projektübergreifend analysiert und verstanden werden.

Es wird zunächst eine detaillierte Charakterisierung der Grenzflächen (Projektbereich C) erforderlich sein. Das schließt sowohl die Untersuchung der atomaren als auch der chemischen Ordnung ein. Die Segregation substitutioneller (Mangan, Aluminium) und interstitieller Legierungselemente (Kohlenstoff) werden sowohl mit ab initio Rechnungen als auch experimentell (APT und TEM) untersucht (Bild 18). Weiterhin ist es für das Verständnis der Grenzflächenstruktur wichtig, den Einfluss von Defekten zu verstehen. Dazu zählen Punktdefekte (z.B. Vakanzen) genauso wie erweiterte Defekte (z.B. Misfit-Versetzungen). Die erzielten Erkenntnisse münden in Grenzflächenenergien, wie sie für Simulationen auf der Meso- und Kontinuums-Skala benötigt werden.

Bei der Betrachtung der Grenzfläche zwischen k-Phase und Matrixmaterial wird es insbesondere darauf ankommen, den Einfluss von lokalen Eigenspannungen und den Grad der Kohärenz zu den schmalen und breiten Austenitkanälen zu analysieren. In mittel Mangan Stählen sind zusätzlich lokale Atomumverteilungen an Grenzflächen zu analysieren. Letztendlich dient die Untersuchung der Grenzflächen jedoch in erster Linie der Bestimmung der mechanischen Eigenschaften des Gefüges. Dabei spielt die Stabilität der Grenzfläche unter mechanischer Last ebenso eine Rolle wie die Wechselwirkung mit Versetzungen und Zwillingen.

 

TEM-Charakterisierung und APT-3D-Elementverteilungskarte
APT Mangan-Anreicherung an Martensitlattengrenzen

 

TEM: Austenit an Korngrenzen

 

APT: Mangananreicherung an Korngrenzen

 

APT: Mangan-Anreicherung an Martensitlattengrenzen

TEM: Austenit an Korngrenzen

APT: Mangananreicherung an Korngrenzen

 

Die Untersuchungen innerhalb der Cloud werden sich in einem multifunktionalen Kontext abspielen. Es werden sowohl Simulation (Bereich A) als auch Herstellung (Bereich B) und Charakterisierung (Bereich C) entscheidende Beiträge liefern. Darüber hinaus wird es aber auch ein Wechselspiel zwischen idealisierten, planaren Grenzflächen (Experiment: Dünnschichten, Theorie: ab initio Behandlung) und realen Grenzflächen (Experiment: erstarrtes Gefüge, Theorie: Kontinuumstheorien) geben. Auf diese Weise werden sowohl atomare Prozesse als auch makroskopische Phänomene untersucht. Zusätzlich besteht eine enge Anbindung an die anderen beiden Clouds: Im Falle von Cloud I ist die Verbindung insbesondere durch k-Phasen gegeben, im Falle von Cloud III durch eine Hydrogen Enhanced Decohesion (HEDE) an Grenzflächen.