Teilprojekt C2: Mechanische Eigenschaften

C2 mechanische Eigenschaften
C2 mechanische Eigenschaften

Prof. Dr.-Ing. Bleck (Institut für Eisenhüttenkunde, RWTH Aachen)

Die Hauptziele des Teilprojektes C2 sind (i) die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften hochmanganhaltiger Stähle (HMnS), (ii) die Entwicklung und Anwendung neuer Prüfmethoden und (iii) die Vorhersage der Materialeigenschaften auf Basis von ab initio Berechnungen.

In der zweiten Förderungsperiode des SFB 761 wurden die Materialkennwerte von HMnS im Zugversuch bei unterschiedlichen Temperaturen und Verformungsgeschwindigkeiten untersucht. Die Resultate wurden mit den mechanischen Eigenschaften konventioneller Stahlgüten verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass die hohen Verfestigungswerte der HMnS in einem großen Temperatur- und Verformungsgeschwindigkeitsbereich für die ausgezeichnete Kombination von Duktilität und Festigkeit verantwortlich sind. Dies wurde dargestellt durch den ECO-Index, das Produkt aus Zugfestigkeit und Gleichmaßdehnung. Die mechanischen Eigenschaften sind ein Resultat der systematischen Ausnutzung des TRIP- (Transformation Induced Plasticity) und TWIP-Effektes (Twinning Induced Plasticity).

 

C2 mechanische Eigenschaften 2
C2 mechanische Eigenschaften 1

 

Der Verformungsmechanismus kann primär durch die materialspezifische Stapelfehlerenergie (SFE) gesteuert werden. Durch ein gezieltes Legierungskonzept kann die SFE und damit die Verfestigungsrate beeinflusst werden. Außerdem beeinflusst die Temperatur des Werkstoffs die SFE maßgeblich. Allerdings weisen einige Werkstoffe mit gleicher SFE bei variierenden Legierungsgehalten unterschiedliches Werkstoffverhalten auf, sodass die SFE nicht das alleinige Kriterium der Einstellung des Verfestigungsverhaltens sein kann.

Durch die gute Kombination aus Festigkeit und Duktilität besitzen HMnS ein ausgeprägt hohes Energieabsorptionsvermögen. Daraus resultierend und durch die kubisch flächenzentrierte Kristallstruktur des Austenits begünstigt, ist die Temperaturerhöhung aufgrund adiabatischer Erwärmung während der Verformung bereits bei quasistatischen Dehnraten beträchtlich. Diese Temperaturvariation beeinflusst die SFE und damit das Verfestigungsverhalten.

 

 

Ein weiteres besonderes Merkmal der HMnS ist der sägezahnartige Verlauf der Fließkurve im Spannung-Dehnung-Diagramm aufgrund ausgeprägter lokaler Verformung. Bei einigen Legierungen kann dieser Effekt bereits bei Raumtemperatur beobachtet werden. Um das lokale Verformungsverhalten beschreiben zu können, wurden lokale Dehnungsmessungen und Infrarot-Thermographie kombiniert. Somit konnten lokale Verformungstemperaturen und –geschwindigkeiten quantifiziert werden. Auf Basis dieser Daten konnte eine systematische Analyse der Auswirkungen der gewählten Versuchsparameter durchgeführt werden.

 

Abb 1 lokale Verformungsanalyse
Figure 1: (a) globale und lokale Fließkurve (b) lokale Verteilung der Dehnrate (c) lokale Temperaturverteilung

Für gewöhnlich wird der sägezahnartige Verlauf der Fließkurve in Verbindung gebracht mit der dynamischen Reckalterung (Dynamic Strain Aging – DSA) bei leicht erhöhten Temperaturen. Normalerweise ist dieses Phänomen jedoch primär bei kubisch raumzentrierten ferritischen Stählen zu beobachten. Durch die Kristallstruktur der ferritischen Phase ist die Diffusionsgeschwindigkeit der gelösten interstitiellen Legierungselemente wie Kohlenstoff und Stickstoff etwa 100-fach höher als bei Austeniten wie den HMnS, sodass eine Diffusion dieser Elemente zu Spannungsfeldern um Versetzungen herum bei Ferriten eine mögliche Erklärung dieses Phänomens ist. Der DSA-ähnliche Effekt bei HMnS konnte allerdings stattdessen auf die temporäre Behinderung der Versetzungsbewegung durch einen Versetzungsaufstau vor kristallographischen Nahordnungsphänomenen (Short Range Ordering – SRO) zurückgeführt werden. Es wird angenommen, dass die durch Versetzungsschneiden vorangetriebene Zerstörung der nahgeordneten Cluster aus Kohlenstoff, Mangan und Aluminium reversibel ist, da die Beweglichkeit der Kohlenstoff-Atome in den Oktaederlücken ausreichend ist, um über kurze Distanzen in andere Oktaederlücken zu springen und so die Nahordnung wiederherzustellen. Die resultierende Abfolge aus Spannungsanstieg und Spannungsabfall führt so zu dem charakteristischen sägezahnartigen Verlauf der Fließkurve.

C2 Verformung
C2 Verformung

 

In der dritten Förderungsphase des SFB 761 sollen die mechanischen Eigenschaften neuer HMnS-Legierungen und mittelmanganhaltiger Stähle (MMnS) bei unterschiedlichen Spannungszuständen und Temperaturen untersucht werden. Außerdem soll das zyklische Werkstoffverhalten analysiert werden. Die neuen HMnS-Legierungen beinhalten auch Werkstoffe mit sehr hoher SFE, die unter ausgeprägtem planaren Versetzungsgleiten umformen. Dieses Werkstoffverhalten wurde bislang als Resultat einer Gleitebenenentfestigung infolge der Zerstörung der SRO-Cluster verstanden. In einigen Untersuchungen konnte die Ausbildung paralleler Scherbänder und Versetzungszellen während der Umformung beobachtet werden. Daher wurden die Werkstoffe mit diesem Verformungsmechanismus als MBIP-Stähle bezeichnet (MBIP – Microband Induced Plasticity).

Bezüglich der Entwicklung und Anwendung neuer Prüfmethoden konnte gezeigt werden, dass die ortsabhängige Auswertemethode des Nakajima-Tests gemäß DIN EN ISO 12004-2 keine plausiblen Ergebnisse bei der Erstellung von Grenzformänderungskurven (forming limit curve – FLC) von HMnS liefert. Der Grund dafür ist das ausgeprägte lokale Verformungsverhalten, welches den Beginn der instabilen Einschnürung beeinflusst. Durch die Verwendung von momentan diskutierten zeitabhängigen Methoden konnte das Verformungsverhalten von HMnS unter mehrachsiger Beanspruchung sinnvoll beschrieben werden.

Bild 1: a) Fließkurven der Versuchsschmelzen V15 (TWIP) und V16 (TRIP) b) Verfestigungskurven (geglättet)
Figure 2: (a) ungenaue parabolische Annäherung mithilfe der ortsabhängigen Methode
 

Die Arbeit an der Analyse der Auswirkungen mehrachsiger Spannungszustände bei HMnS und MMnS wird in der dritten Förderungsperiode fortgesetzt.

Die Simulation der mechanischen Eigenschaften auf Basis von ab initio Berechnungen aus dem Teilprojekt A1 wird ebenfalls fortgeführt. Bislang konnte auf Basis der Daten aus TP A1 eine Möglichkeit der Berechnung der Auswirkungen von SRO auf die Streckgrenze entwickelt werden. Außerdem wird die begonnene konstitutive Modellierung von TWIP-Stählen fortgeführt und um den TRIP-Effekt zur Beschreibung von MMnS erweitert. Dazu ist es auch nötig den Einfluss der Nahordnungsphänomene und des sägezahnartigen Verlaufs der Fließkurve auf die Verfestigung zu untersuchen.