SFB 761 Stahl ab initio. Quantenmechanisch geführtes Design neuer Fe-Basis Werkstoffe

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1 SFB 761 Stahl ab initio Quantenmechanisch geführtes Design neuer Fe-Basis Werkstoffe SFB - Begehung

2 Mindeststreckgrenze, MPa Ziele der Werkstoffentwicklung: z.b. Streckgrenze 1500 PH: Press Hardening Stähle HSLA: High Strength low Alloy HMS: High Manganese Steels PH 1000 HSLA 500 HMS Quelle: A. Howe, P. Morris; Super High Strength Steels 2010 ; +IEHK-Werte Jahr Entwicklung der höchstfesten Stähle bei Flachprodukten

3 Spannung, MPa Neuer Ansatz: Kontrolliertes Verfestigungsverhalten PH inhomogenes Fließen hohe Verfestigung HSLA HMS ECO-Index: R m x A g Dehnung, % Spannung-Dehnung-Kurven von hochfesten Stählen

4 Kontrolle der Verfestigung Versetzungswechselwirkung Homogenes Fließen Umformung Inhomogenes Fließen Umformung Gittertransformation TRIP - Effekt Umformung TWIP - Effekt Umformung TRIP: TRansformation Induced Plasticity TWIP: TWinning Induced Plasticity 4 Verformungsmechanismen

5 Sprecher-Vortrag 1. Forschungsziele 2. Ergebnisse Neue Modellierungswerkzeuge Neue Untersuchungsverfahren Neue Werkstoffkonzepte 3. Struktur des SFB in der 1. und 2. Phase 4. Dokumentation Pauschale Mittel Gender 5. Integriertes Graduierten Kolleg 6. Vision 5 Agenda

6 Ziele 1. Antragsphase Experimentelle Darstellung und Charakterisierung von Werkstoffen mit Fe-Mn-C-Matrix. Nutzung der ab initio Methoden für die Vorhersage von Phasenübergängen und Mechanismenwechsel. Quantifizierung des Einflusses von chemischer Zusammensetzung, Temperatur und weiterer Parameter auf die Verfestigungsmechanismen. 6 Geplante Ergebnisse 7/2007 6/2011

7 wahre Spannung, GPa Ab initio Mikrostruktur mech. Eigenschaften 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 20 µm 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 wahre Dehnung, - 7 Methodische Vorgehensweise

8 Sprecher-Vortrag 1. Forschungsziele 2. Ergebnisse Neue Modellierungswerkzeuge Neue Untersuchungsverfahren Neue Werkstoffkonzepte 3. Struktur des SFB in der 1. und 2. Phase 4. Dokumentation Pauschale Mittel Gender 5. Integriertes Graduierten Kolleg 6. Vision 8 Agenda

9 9 Stahlgruppen, Kristallstruktur und Legierungsgehalt Trend zu höheren Legierungsgehalten Stahlgruppe Fe, Massen-% Legierungselemente HSLA (bcc) 98 Al, Mn, Nb, Ti, V AHSS (bcc) 96 Mn, Si, Al, Nb, Ti, Cr Stainless (fcc) 75 Cr, Ni HMS (fcc) 75 Mn HSLA: High Strength low Alloy AHSS: Advanced High Strength Steels HMS: High Manganese Steels bcc: body centered cubic fcc: face centered cubic

10 Regellose Verteilung von C? Mn Fe 10 Superzelle Fe 16 Mn 16 C mit 10 Typen von Oktaederlücken A1

11 Regellose Verteilung von C? Quelle: v. Appen, Eck, Dronskowski : J. Comput. Chem. 2010, 31, Enthalpie für verschiedene Fe Mn C Anordnungen A1

12 Auswahlkriterium Stapelfehlerenergie r γ fcc =2ρ G γ ε +2σ γ/ε 300 K TWIP TRIP SFE(γ fcc ) [mj/m 2 ] Wechsel Deformationsmechanismen Stapelfehlerenergie Gehalt interstitielle Atome Gehalt subsitutionelle Atome γ fcc : intrinsische Stapelfehlerenergie ρ: Atomdichte G γ ε : Differenz Gibbs-Energie σ γ/ε : Grenzflächenenergie A5 12 Werkstoffauswahl im System Fe-Mn-C

13 SFE (mj/m 2 ) SFE (mj/m 2 ) Ab initio-basiertes Verständnis chemischer Trends Verallgemeinerte Stapelfehlerenergie PM Mn-Konzentration (Atom-%) NM Rechnung (Mn ungeordnet) Intrinsische Stapelfehlerenergie (SFE) NM: nicht magnetisch PM: paramagnetisch ISF: intrinsische Stapelfehlerenergie USF: unstable Stapelfehlerenergie 13 A2 Abhängigkeit der Stapelfehlerenergie von der chemischen Zusammensetzung NM (C homogen) C-Konzentration (Mass-%) 100 0

14 wahre Spannung, GPa Temperatureinfluss auf das Fließverhalten 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 14 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 wahre Dehnung, -.. σ: Spannung, ε: Dehngeschwindigkeit, T: Temperatur, ρ c : Versetzungsdichte im Zellinnern ρ w : Versetzungsdichte in den Zellwänden, V Twin : Zwillingsvolumen Spannung-Dehnung-Kurven; Vergleich Experiment & Modell A7 B2 C2

15 Verfestigung dσ/dε, ds/de, GPa Beeinflussung des Verfestigungsverhaltens ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 wahre Dehnung, - wahre Dehnung, -. σ: Spannung, ε: Dehngeschwindigkeit, T: Temperatur, ρ c : Versetzungsdichte im Zellinnern ρ w : Versetzungsdichte in den Zellwänden, V Twin : Zwillingsvolumen Verfestigungskurven; Vergleich Experiment & Modell A7 B2 C2

16 Nachweis der Verformungsmechanismen C2 Beginn inhomogenes Fließen Fließgrenze 16 Zugversuch, konventionelle Auswertung Zugversuch, momentane Dehnrate Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften im Zugversuch

17 Prozesskette zur Warmumformung entwickelt Technisch reine Einsatzstoffe Gussblöcke: 140*140 mm², bis zu 100 kg Gewicht; >1600 C aufgetretene Probleme: Homogenisierung: WW: 12 Stiche Schmieden: (1150 C) auf 3 <3 Stiche mm (1150 C) KW: < Stiche auf 55 (RT) mm, Glühen: auf 0,3-1, C/5 mm h Mikroseigerungen des Mn- und C-Gehalts im Gusszustand Verzunderung reduziert die Oberflächenqualität A3 B1 B2 B4 17 Herstellung der Versuchswerkstoffe

18 Homogenisierung der chem. Zusammensetzung B1 B2 C1 Mikroseigerungen im Gusszustand Min Max max. Differenz C: 0.20% 0.50% 0.3% Mn: 18.0% 26.0% 8% Mikroseigerungen nach Schmieden, Glühen und Walzen Min Max max. Differenz C: 0.22% 0.27% 0.05% Mn: 20.8% 23.0% 2.2% Quelle: Wietbrock, Bambach, Seuren, Hirt: "Homogenization strategy and material characterization of high-manganese TRIP and TWIP steels", Materials Science Forum Vols (2010) pp Resultat der Homogenisierungsbehandlung

19 Zugfestigkeit x Gleichmaßdehnung, GPa x % MBIP Wirkung verschiedener Verformungsmechanismen 100 Werkstoffe SFB VII +Al Medium Mn TRIP High Mn TRIP IV TWIP I II III MBIP: MikroBand Induzierte Plastizität AHSS Mangangehalt, Massen-% Eigenschaftsspektrum neuer Stahlkonzepte auf Mn-Basis

20 Sprecher-Vortrag 1. Forschungsziele 2. Ergebnisse Neue Modellierungswerkzeuge Neue Untersuchungsverfahren Neue Werkstoffkonzepte 3. Struktur des SFB in der 1. und 2. Phase 4. Dokumentation Pauschale Mittel Gender 5. Integriertes Graduierten Kolleg 6. Vision 20 Agenda

21 Änderungen bei 3 Teilprojekten der 1. Phase A1 21 Dronskowski:ab initio Quantenchemie Neugebauer/Hickel: A2 ab initio Thermodynamik A3 A4 A5 A6 A7 Schneider/Hallstedt Thermodynamik Emmerich Phasenfeldsimulation Bleck Mechanismenkarte Gottstein/Mohles Grenzflächen Roters/Winning Mikrostrukturmechanik B1 B4 Senk Erstarrung Hirt Warmumformung Überführung B2 in A8 TP-Leitung: Prof. Senk/Dr. Rezende Molodov/Gottstein Wärmebehandlung Methodische Probleme relevantes Thema Fortführung C1 Mayer Mikrostruktuanalytik Bleck C2 Verformungsmechanismen Methodische Neuausrichtung C3 in C9 TP-Leitung: PD Dr. Zaefferer C4 Schneider/Music lok. mech. Eigensch. Raabe/Zaefferer Textur & Anisotropie Pyzalla C5 Defekte & Spannungen C6 Gliederung der Teilprojekte im SFB 761 (1. Phase) Prahl Schädigung Versagen

22 Neu aufgegriffene Forschungsschwerpunkte A8 A9 A10 Projektbereich A Senk/Rezende Phasenfeldsimulation Neugebauer/v. Pezold ab initio Wasserstoff in Stahl Svendsen Inhomogenes Fließen Initiative aus dem Industrieberaterkreis neue Themen B5 B6 B7 T1 Projektbereich B Friedrich Elektroschlackeumschmelzen Hirt Bandgießen Dronskowski/Sandlöbes Referenzmaterialien Projektbereich T Bleck Werkstoffdesign C7 C8 C9 Projektbereich C Für Analysemethoden, Verifikation von Modellen Haarmann Festkörper-NMR-Spektroskopie Dmitrieva/Choi 3D-Atomsonde Zaefferer Seigerungs- und Reinheitsgradoptimierung Defekte und Eigenspannungen neue Methoden 22 Neue Teilprojekte im SFB 761

23 23 Neue Professuren und Entwicklung von Materialwissenschaft+Werkstofftechnik Ausbau der Modellierungsaktivitäten Neue Professur Werkstoffmechanik (Svendsen) (in Zusammenarbeit mit JARA) Junior-Professur (Haarmann) (für moderne Strukturanalytik komplexer chemischer Systeme) Berufungsverfahren Werkstoffphysik (Nf. Gottstein) Junior-Professur Werkstoff-Simulation (MuW) Junior-Professur Prozess-Simulation (MuW) JARA Research Center ab initio (laufend) (laufend) (Planung) (Planung)

24 Sprecher-Vortrag 1. Forschungsziele 2. Ergebnisse Neue Modellierungswerkzeuge Neue Untersuchungsverfahren Neue Werkstoffkonzepte 3. Struktur des SFB in der 1. und 2. Phase 4. Dokumentation Pauschale Mittel Gender 5. Integriertes Graduierten Kolleg 6. Vision 24 Agenda

25 Verwendung Pauschale Mittel ESU - Schmelzversuche Wasserstoff - Nachweis Ermittlung von Diffusionskoeffizienten (Uni Münster) Beschaffung eines REM Biegetisches B5 A9 B1 C6 Emitter für 3D-EBSD (Probenbereitstellung für ETH Zürich, NML Jamshedpur, Uni Athen, KTH Stockholm, etc.) 25 C4 C9 Pauschale Mittel wurden zur Exploration neuer Themen eingesetzt

26 Industrie Forschung Karrieren im SFB Rufe 2 Habilitationen 7 Promotionen Teilzeit, home office Teilzeit, home office Total E-Quality Award audit berufundfamilie FEMTEC 26 Beispiele für Mitarbeiterentwicklung

27 Sprecher-Vortrag 1. Forschungsziele 2. Ergebnisse Neue Modellierungswerkzeuge Neue Untersuchungsverfahren Neue Werkstoffkonzepte 3. Struktur des SFB in der 1. und 2. Phase 4. Dokumentation Pauschale Mittel Gender 5. Integriertes Graduierten Kolleg 6. Vision 27 Agenda

28 Internationale Sichtbarkeit Start 1. Phase Juli 2007 MSE 2008 Materials Science & Engineering Nürnberg, Sept Konferenzen THERMEC 2010 Berlin, Aug HMnS 2011 Seoul, Korea Mai 2011 Ende 1. Phase Juni 2011 Beispiel GOOGLE MRS FallMeeting Boston, USA 29. Nov. 3. Dez MSE 2010 Materials Science & Engineering Darmstadt, Aug Int. Workshop on High Manganese Steels Pohang, Korea, Aug Interne Workshops Ringberg- Symposien Beilngries September 2008 ADIS 2008 Magnetism and Phase diagrams Juni 2008 Salzgitter September 2009 Rolduc September 2010 ADIS 2010 Mechanical Properties Juni 2008 DGM Fachausschuss Computersimulation 25. Juni Konferenzen, Workshops, Symposien

29 Initiativen in Wissenschaft und Lehre 29 Workshop mit Externen Coaches Automobilwerkstoffe Umformtechnik Kristallplastizität Phasenfeld Calphad Methode Ab initio Metallurgie ETC Symposium Postech 2009 Int. Konferenz Microstructure Seoul 2011 Aachen 2014? Microscopy Modelling Zaefferer, +Hickel, +Prahl Ringvorlesung Youtube-Kanal M 3 -Vorlesung Beispiel für Aktivitäten im Graduiertenkolleg

30 Sprecher-Vortrag 1. Forschungsziele 2. Ergebnisse Neue Modellierungswerkzeuge Neue Untersuchungsverfahren Neue Werkstoffkonzepte 3. Struktur des SFB in der 1. und 2. Phase 4. Dokumentation Pauschale Mittel Gender 5. Integrierte Graduierten Schule 6. Vision 30 Agenda

31 Ziele + Ergebnis 2011 Experimentelle Darstellung und Charakterisierung von Werkstoffen mit Fe-Mn-C-Matrix. Nutzung der ab initio Methoden für die Vorhersage von Phasenübergängen und Mechanismenwechsel. Quantifizierung des Einflusses von chemischer Zusammensetzung, Temperatur und weiterer Parameter auf die Verfestigungsmechanismen. Synchronisation der Forschungsansätze bezüglich: Semantik (Glossar, SFE-Report) Methodik (Qualitäts-Anforderungen an Experiment und Rechnung) Verständnis (Vorlesungen, Workshops, Teams) 31 Abgleich von Zielen und Ergebnissen

32 32 Wissenschaftliche Weiterentwicklung des SFB 761 Wünsche und Auswahlkriterien ESU Korrosion Demonstration Oxidation Neue Gießverfahren Zähigkeit Reinststoffe Bessere Versuchswerkstoffe Schwerpunkt: Interaktion 3D- Atomsonde NMR PLC Schweißen Modell Mikrostruktur- Charakterisierung Umformverhalten Verformungsmechanismus

33 Ziele Wissensbasierte Entwicklung von Strukturwerkstoffen Umfassende Charakterisierung einer neuen Werkstoffgruppe für verschiedene Einsatzgebiete. Empfehlungen für die neuen Prozessrouten Herstellparameter auf existierenden oder Weiterentwicklung und Validierung der voraussetzungsfreien Methoden für Modellsysteme und Werkstoffe. 33 Ergebnis nach 8-12 Jahren

34 Ziele Wissensbasierte Entwicklung von Strukturwerkstoffen Umfassende Charakterisierung einer neuen Werkstoffgruppe für verschiedene Einsatzgebiete. Empfehlungen für die neuen Prozessrouten Herstellparameter auf existierenden oder Weiterentwicklung und Validierung der voraussetzungsfreien Methoden für Modellsysteme und Werkstoffe. 34 Das Team im Januar 2011