Application-oriented development of high-strength, high-Mn steels and their utilization

Wesselmecking, Sebastian; Bleck, Wolfgang (Thesis advisor); Krupp, Ulrich (Thesis advisor); De Moor, Emmanuel (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022, 2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022, Kumulative Dissertation

Kurzfassung

Die zunehmende Spezialisierung der Ingenieurwissenschaften führt zu immer kürzeren Entwicklungszyklen und somit zu einer wachsenden Komplexität der Forschung. Hoch spezialisierte Experten arbeiten entweder auf dem Gebiet der Grundlagenforschung oder der angewandten Ingenieurwissenschaften. Um dieser Entwicklung entgegenzuwirken, begannen Grundlagenforscher und Ingenieure im Sonderforschungsbereich "Stahl ab initio" ihre Zusammenarbeit. Ziel war es, neue und einfach anzuwendende Methoden zur Charakterisierung und Modifikation der Eigenschaften von Stählen zu entwickeln. Diese Methoden wurden auf die neue Klasse der hochmanganhaltigen Stähle (HMnS) angewandt, die im Mittelpunkt dieser Dissertation stehen. Die Arbeit teilt sich in drei Bereiche: die Charakterisierung und Nutzung der Nahordnung (SRO), die Anpassung der mechanischen Eigenschaften durch Ausnutzung der spezifischen Verformungsmechanismen und die Übertragung spezifischer Eigenschaften in die Anwendung. Um die SRO auszunutzen, musste sie zunächst im Detail charakterisiert werden. Die SRO-Bildung während der Reckalterung wurde bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 200 °C analysiert. Die Kinetik der SRO-Bildung wurde erfolgreich durch Kleinwinkel-Neutronenstreuung beschrieben. SRO ist eine Folge der Alterung nach der Vorverformung und geht mit steigender Streckgrenze, abnehmender Verformbarkeit und inhomogener Verformung einher. Die mechanischen Eigenschaften des HMnS werden zudem stark von den spezifischen Verformungsmechanismen beeinflusst. Die Aktivierung des TWIP-Effekts erhöht die Zwillingsdichte und führt zu einem Werkstoff mit sehr hoher Festigkeit. Auf der Grundlage der Temperaturabhängigkeit der Stapelfehlerenergie (SFE) und der spezifischen Merkmale des TWIP- und TRIP-Effekts wurde ein Ansatz zur sequentiellen Aktivierung von TWIP und TRIP entwickelt. Die Phasenumwandlungen wurden mit Hilfe von Synchrotron-Röntgenstrahlung verfolgt und die verformungsinduzierte Martensitbildung im stark verzwillingten Gefüge überwacht. Eine hohe Streckgrenze und eine hohe Verformbarkeit waren die Folge. Da die Nutzung von HMnS nicht nur die Werkstoffeigenschaften, sondern auch die Bauteilauslegung betrifft, wurde eine neue zweistufige Crashbox entwickelt. Hierfür wurde ein umfassender Entwicklungsprozess durchlaufen, bei dem ein gewalzter TWIP-Stahl durch angepasste Wärmebehandlungen an eine Crashbox angepasst wurde. Umgekehrt wurde die Crashbox für die Eigenschaften des rekristallisierten TWIP-Stahls modifiziert. Die Studie umfasste die Simulation, Herstellung und Prüfung dieser zweistufigen Crashbox. Die Simulationen zeigten, dass die spezifische Energieabsorption von TWIP-Stählen die Energieabsorption der derzeit verwendeten Stähle übertrifft. Die Arbeiten erweitern das Verständnis der spezifischen Eigenschaften (SRO, SFE, TWIP und TRIP) von HMnS und deren Charakterisierung. Grundlagen- und angewandte Forschung wurden erfolgreich fortgeführt und in die anwendungsorientierte Entwicklung von hochfesten HMnS überführt.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
• Lehrstuhl für Werkstofftechnik der Metalle und Institut für Eisenhüttenkunde [522110]