SFB 761: Stahl - ab initio. Quantenmechanisch geführtes Design neuer Eisenbasis-Werkstoffe
Chemie
Maschinenbau und Produktionstechnik
Physik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Sonderforschungsbereich 761 „Stahl ab initio – Quantenmechanisch geführtes Design neuer Eisenbasis-Werkstoffe“ haben Naturwissenschaftler und Ingenieure der RWTH Aachen und des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung an der mechanismengesteuerten Werkstoffentwicklung am Beispiel von hoch Mangan-legierten Stählen geforscht. Von 2007 bis 2019 wurden in insgesamt 55 Teilprojekten und 5 Transferprojekten mit industrieller Beteiligung (Laufzeit teilweise bis 2021) Themen zum Werkstoff- und Prozessdesign sowie zur Werkstoffcharakterisierung bearbeitet. Die Idee des Sonderforschungsbereichs bestand darin, eine methodisch neue Vorgehensweise für das Design von Strukturwerkstoffen zu erarbeiten. Seit Mitte der 1990er Jahre waren beträchtliche Fortschritte bezüglich Modellierung und Messtechnik erzielt worden, sodass eine systematische wissensbasierte Entwicklung der besonders anspruchsvollen neuen Werkstoffgruppe der hoch Mangan-legierten Stähle angegangen werden konnte. Bei diesen hoch Mn Stählen (bis zu 30 Gew.-% Mn) werden außergewöhnliche Phänomene bei der plastischen Verformung beobachtet und darauf basierend außergewöhnliche Eigenschaftskombinationen erzielt. Als zentrale wissenschaftliche Arbeitshypothese wurde angenommen, dass insbesondere die Stapelfehlerenergie die Verformungsmechanismen steuert. Die Stapelfehlerenergie diente somit als Parameter für die Entwicklung von Prozessen und Werkstoffen, sie ist experimentell zugänglich und kann auch mit modernen ab initio Methoden berechnet werden. Die Herausforderung war insofern die Kombination von naturwissenschaftlichen Theorien, die allein auf physikalischen und chemischen Kenngrößen basieren, mit ingenieurwissenschaftlich etablierten Konzepten der Werkstofftechnik. Die beteiligten Forscher aus verschiedenen ingenieurwissenschaftlichen Disziplinen, aus der Physik und aus der Chemie haben Modelle und Methoden von der atomistischen bis zur makroskopischen Skala entwickelt und angewendet. Das wissenschaftliche und technische Interesse für hoch Mn Stähle ist in den letzten Jahren deutlich gewachsen. Aktuelle Überlegungen sehen vor, die in rein austenitischen hoch Mn Stählen beobachteten Verformungsmechanismen (SLIP: dislocation slip, TRIP: Transformation Induced Plasticity, TWIP: TWinning Induced Plasticity, MBIP: MicroBand Induced Plasticity) auf ein mehrphasiges austenitisch/martensitisches Gefüge in mittel Mn Stählen zu übertragen. Dies verspricht neben geringeren Legierungskosten durch niedrigere Mangangehalte vor allem eine einfachere Integration dieser Werkstoffe in die derzeitige industrielle Infrastruktur. Zugleich kann das Eigenschaftsprofil in einem weiten Bereich an Bauteilanforderungen angepasst werden. Gemeinsam ist allen neuen Stahlkonzepten der sogenannten „Advanced High Strength Steels“ (AHSS 1., 2., 3. Generation) eine kontrollierte Gefügeeinstellung auf der Nanometerskala. Wichtige Ergebnisse des SFB sind, dass mit anspruchsvollen Simulationsmethoden, z. B. ausgehend von ab initio Berechnungen, ein grundlegendes Verständnis zum Auftreten der verschiedenen Verformungsmechanismen und der daraus abgeleiteten Werkstoffeigenschaften erreicht werden kann. Der SFB hat mit neu entwickelten Charakterisierungsmethoden, z.B. durch Kombination von REM-, TEM- und APT-Untersuchungen, neue Erkenntnisse zur Nanostrukturierung von Gefügen und lokalen Segregationsphänomenen der Legierungsund Begleitelemente ermöglicht. Experimentell konnten verschiedene Prozessketten bis zur Darstellung eines Demonstratorbauteils bewertet und Potenziale für die Anwendung der neuen Stahlgruppen aufgezeigt werden. Im Rückblick auf 12 Jahre intensiver Zusammenarbeit kann festgestellt werden, dass es gelungen ist, Modellierungsansätze auf unterschiedlichen Skalen bis hin zu ab initio Methoden für die Entwicklung einer neuen Klasse von metallischen Strukturwerkstoffen zu nutzen. Aus heutiger Sicht sind diese Ansätze sowie die Weiterentwicklung der Charakterisierungsmethoden zwingend erforderlich für das Design von auf der nm-Skala strukturierten Werkstoffen und das Verständnis der hier autretenden metallkundlichen Phänomene. Es wird ein großes Potenzial für die zukünftige Entwicklung von neuen Eisenbasis-Werkstoffen gesehen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Elastic properties of Fe-Mn random alloys studied by ab initio calculations, Appl. Phys. Lett. 91 (2007), 191904
D. Music, T. Takahashi, L. Vitos, C. Asker, I. A. Abrikosov, J. M. Schneider
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.2807677) - Derivation and Variation in Composition-Dependent Stacking Fault Energy Maps Based on Subregular Solution Model in High-Manganese Steel, Metallurgical and Materials Transactions A 40 (2009) Nr. 13, S. 3076-3090
A. Saeed-Akbari, J. Imlau, U. Prahl, W. Bleck
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11661-009-0050-8) - Thermodynamic properties of cementite (Fe3C), Calphad 34 (2010) S. 129-133
B. Hallstedt, D. Djurovic, J. von Appen, R. Dronskowski, A. Dick, F. Körmann, T. Hickel, J. Neugebauer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.calphad.2010.01.004) - Carbon‐Induced Ordering in Manganese‐Rich Austenite — A Density‐Functional Total‐Energy and Chemical‐Bonding Study, Steel Research International 82 (2011) Nr. 2, S. 101-107
J. v. Appen, R. Dronskowski
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/srin.201000260) - Thermodynamic assessment of the Fe–Mn–C system, Calphad 35 (2011) Nr. 4, S. 479-491
D. Djurovic, B. Hallstedt, J. v. Appen, R. Dronskowski
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.calphad.2011.08.002) - Advancing density functional theory to finite temperatures: methods and applications in steel design, Journal of Physics: Condensed Matter 24 (2012) 053202
T. Hickel, B. Grabowski, F. Körmann, J. Neugebauer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/0953-8984/24/5/053202) - Elastic properties of face-centred cubic Fe-Mn-C studied by nanoindentation and ab initio calculations, Acta Materialia 60 (2012), 6025
S. Reeh, D. Music, T. Gebhardt, M. Kasprzak, T. Jäpel, S. Zaefferer, D. Raabe, S. Richter, A. Schwedt, J. Mayer, B. Wietbrock, G. Hirt, J. M. Schneider
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.actamat.2012.07.038) - Atomic-scale investigation of ε and θ precipitates in bainite in 100Cr6 bearing steel by atom probe tomography and ab initio calculations, Acta Materialia, 61 (2013) Nr. 20, S. 7582-7590
W. Song. J. v. Appen, P. Choi, R. Dronskowski, D. Raabe, W. Bleck
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.08.051) - Microstructure Analysis of High-manganese TWIP Steels Produced via Strip Casting. International Journal of Material Forming, Special Issue ESAFORM, Key Engineering Materials, 554-557 (2013) S. 553-561
M. Daamen, S. Richter, G. Hirt
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.554-557.553) - Revealing the strain-hardening behavior of twinning induced plasticity steels: Theory, simulations, experiments. Acta Materialia 61 (2013) Nr. 2 S. 494-510
D. R. Steinmetz, T. Jäpel, B. Wietbrock, P. Eisenlohr, I. Gutierrez-Urrutia, A. Saeed-Akbari, T. Hickel, F. Roters, D. Raabe
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.actamat.2012.09.064) - Tribosynthesis of Fe3−xMnxC Phases via Mechanical Alloying and Annealing, Z. Naturforsch. 68b (2013) S. 1180–1184
H. Dierkes, A. Möller. R. Dronskowski
(Siehe online unter https://doi.org/10.5560/znb.2013-3194) - Control of Strain Hardening Behavior in High-Mn Austenitic Steels, Acta Metallurgica Sinica (English Letters) 27 (2014) Nr. 3, S. 546-556
W. Song, T. Ingendahl, W. Bleck
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s40195-014-0084-9) - Coupling of Crystal Plasticity Finite Element and Phase Field Methods for the Prediction of SRX Kinetics after Hot Working, Steel Research International 85 (2014) S. 999–1009
O. Güvenç, M. Bambach, G. Hirt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/srin.201300191) - Development of efficient production routes based on strip casting for advanced high strength steels for crash-relevant parts, CIRP Annals - Manufacturing Technology 63 (2014) S. 265–268
M. Daamen, O. Güvenç, M. Bambach, G. Hirt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.cirp.2014.03.025) - Impact of nanodiffusion on the stacking fault energy in high-strength steels, Acta Materialia 75 (2014) S. 147–155
T. Hickel, S. Sandlöbes, R.K.W. Marceau, A. Dick, I. Bleskov, J. Neugebauer, D. Raabe
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.actamat.2014.04.062) - Temperature Dependent Magnon-Phonon Coupling in bcc Fe from Theory and Experiment, Physical Review Letters 113 (2014) 165503
F. Körmann, B. Grabowski, B. Dutta, T. Hickel, L. Mauger, B. Fultz, J. Neugebauer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.113.165503) - Combining structural and chemical information at the nanometer scale by correlative transmission electron microscopy and atom probe tomography, Ultramicroscopy 153 (2015) S. 32-39
M. Herbig, P. Choi, D. Raabe
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2015.02.003) - Effects of grain size on hydrogen embrittlement in a Fe-22Mn-0.6C TWIP steel, International journal of hydrogen energy 40 (2015) Nr. 33, S. 10687-10696
N. Zan, H. Ding, X. Guo, Z. Tang, W. Bleck
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.06.112) - EP 2 924 131 A1 Austenitic stainless steel. 30.9.2015; gleichlautende Patente in USA, CND, KOR, JP
A. Breuer, G. Brückner, L. Mosecker, W. Bleck
- ICME for Crashworthiness of TWIP Steels: From Ab Initio to the Crash Performance, JOM 67 (2015) S. 120–128
O. Güvenç, F. Roters, T. Hickel, M. Bambach
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11837-014-1192-8) - Linear complexions: Confined chemical and structural states at dislocations, Science 349 (2015) Nr. 6252, S. 1080-1083
M. Kuzmina, M. Herbig, D. Ponge, S. Sandlöbes, D. Raabe
(Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.aab2633) - Structural transformations among austenite, ferrite and cementite in Fe–C alloys: A unified theory based on ab initio simulations, Acta Materialia 99 (2015) S. 281–289
X. Zhang, T. Hickel, J. Rogal, S. Fähler, R. Drautz, J. Neugebauer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.07.075) - Twin-roll strip casting: A competitive alternative for the production of high-manganese steels with advanced mechanical properties, Materials Science and Engineering A 627 (2015), S. 72-81
M. Daamen, C. Haase, J. Dierdorf, D.A. Molodov, G. Hirt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.12.069) - A crystal plasticity model for twinning- and transformationinduced plasticity, Acta Materialia 118 (2016) S. 140-151
S. L. Wong, M. Madivala, U. Prahl, F. Roters, D. Raabe
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.07.032) - Enhancing the crashworthiness of high-manganese steel by strain-hardening engineering, and tailored folding by local heat-treatment, Materials & Design 110 (2016) S. 157-168
M. Bambach, L. Conrads, M. Daamen, O. Güvenç, G. Hirt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.07.065) - On the applicability of recovery annealing during processing of twinning-induced plasticity steels: potential and limitations, Materials Science and Engineering A 649 (2016) S. 74-84
C. Haase, T. Ingendahl, O. Güvenç, M. Bambach, W. Bleck, D.A. Molodov, L.A. Barrales-Mora, G. Gottstein
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.09.096) - Scale bridging description of coherent phase equilibria in the presence of surfaces and interfaces, Physical Review B 94 (2016) 134106
R. Spatschek, G. Gobbi, C. Hüter, A. Chakrabarty, U. Aydin, S. Brinckmann, J. Neugebauer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.134106) - Ab initio explanation of disorder and off-stoichiometry in Fe-Mn-Al-C κ carbides, Physical Review B 95 (2017) 104108
P. Dey, R. Nazarov, B. Dutta, M. Yao, M. Herbig, M. Friák, T. Hickel, D. Raabe, J. Neugebauer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.104108) - Influence of Intercritical Annealing on Microstructure and Mechanical Properties of a Medium Manganese Steel, Procedia Engineering 207 (2017), S. 1803-1808
M. Haupt, A. Dutta, D. Ponge, S. Sandlöbes, M. Nellessen, G. Hirt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.10.942) - On the deformation behavior of κ-carbide-free and κ-carbide-containing high-Mn light-weight steel, Acta Materialia 122 (2017) S. 332-343
C. Haase, C. Zehnder, T. Ingendahl, A. Bikar, F. Tang, B. Hallstedt, W. Hu, W. Bleck, D.A. Molodov
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.10.006) - Synthesis, Crystal Structure, Magnetic Properties, and Stability of the Manganese-Rich “Mn3AlC” κ Phase, Inorg. Chem. 56 (2017) S. 1045−1048
H. Dierkes, J. v. Leusen, D. Bogdanovski, R. Dronskowski
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.6b02816) - The Role of κ-Carbides as Hydrogen Traps in High-Mn Steels, Metals 7 (2017) 264
T. A. Timmerscheidt, P. Dey, D. Bogdanovski, J. von Appen, T. Hickel, J. Neugebauer R. Dronskowski
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/met7070264) - First-Principles Approaches to Metals, Alloys, and Metallic Compounds, Reprint of Metals Special Issue 8(9), 2018, 705
R. Dronskowski
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/met8090705) - On the Mn–C Short-Range Ordering in a High-Strength High-Ductility Steel: Small Angle Neutron Scattering and Ab Initio Investigation, Metals 8 (2018) Nr. 1, S. 44
W. Song, D. Bogdanovski, A.B. Yildiz, J. E. Houston, R. Dronskowski, W. Bleck
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/met8010044) - Temperature dependent strain hardening and fracture behavior of TWIP steel, International Journal of Plasticity 104 (2018) S. 80–103
M. Madivala, A. Schwedt, S. L. Wong, F. Roters, U. Prahl, W. Bleck
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2018.02.001) - Combined deformation twinning and short-range ordering causes serrated flow in high-manganese steels. Materials Science & Engineering A 746 (2019) S. 434-442
S. Sevsek, F. Brasche, C. Haase, W. Bleck
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.01.042) - DAMASK – The Düsseldorf Advanced Material Simulation Kit for modeling multi-physics crystal plasticity, thermal, and damage phenomena from the single crystal up to the component scale, Computational Materials Science 158 (2019) S. 420-478
F. Roters, M. Diehl, P. Shanthraj, P. Eisenlohr, C. Reuber, S.L. Wong, T. Maiti, A. Ebrahimi, T. Hochrainer, H.-O. Fabritius, S. Nikolov, M. Friák, N. Fujita, N. Grilli, K.G.F. Janssens, N. Jia, P.J.J. Kok, D. Ma, F. Meier, E. Werner, M. Stricker, D. Weygand, D. Raabe
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2018.04.030) - Macroscopic to nanoscopic in situ investigation on yielding mechanisms in ultrafine grained medium Mn steels: Role of the austenite-ferrite interface, Acta Materialia, 178 (2019), S. 10-25
B. Sun, Y. Ma, N. Vanderesse, R.S. Varanasi, W. Song, P. Bocher, D. Ponge, D. Raabe
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.07.043) - Physical Metallurgy of high Manganese Steels, Reprint of Metals Special Issue 9 (7), 2019
W. Bleck, C. Haase
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/met9101053)
