legierungsbedingte Einflussfaktoren Tieftemperaturzähigkeit

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1 Mechanismen und legierungsbedingte Einflussfaktoren der Tieftemperaturzähigkeit von ferritisch-austenitischen Duplex-Stählen Dissertation zur Erlangung des Grades Doktor-Ingenieurin der Fakultät der Maschinenbau der Ruhr-Universität Bochum von Marina Knyazeva aus Barnaul Bochum 2015

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Ziel der Arbeit 3 3 Grundlagen Nichtrostende ferritisch-austenitische Duplex-Stähle Ferritisch-austenitische Erstarrung Wärmebehandlung und Verteilung der Legierungselemente Metallphysikalische Grundlagen Gittertypen und Bindungsarten Umwandlungen im Eisengitter Löslichkeit der Legierungselemente und Strukturstabilität Löslichkeit der substituierenden Atome Löslichkeit der interstitiellen Atome Elastisch-plastische Eigenschaften, Verformung und Bruch Elastische Eigenschaften Stapelfehler Verformungsvorgänge Fließspannung und Gleitung Mechanische Zwillingsbildung Martensitische Umwandlung Bruch Tieftemperaturzähigkeit und Versprödung der nichtrostenden Stähle Grundlagen der Tieftemperaturzähigkeit Einflussfaktoren auf die Tieftemperaturzähigkeit Tieftemperaturversprödung der ferritischen Stähle Tieftemperaturversprödung der austenitischen Stähle Tieftemperaturversprödung der ferritisch-austenitischen Stähle Einfluss der Legierungselemente Chrom 37

3 3.7.2 Nickel Mangan Molybdän Kupfer Stickstoff Kohlenstoff Experimentelle Methoden Numerische Simulation Herstellung der Versuchswerkstoffe Wärmebehandlung Probenentnahme Werkstoffcharakterisierung Chemische Zusammensetzung der Versuchsstählen Schmelzextraktion zur Bestimmung des Stickstoffanteils Permeabilitätsmessung Mikroskopie und Mikroanalytik Lichtmikroskopie Rasterelektronenmikroskopie Energiedispersive Röntgenanalyse Rückstreuelektronenbeugung (EBSD-Analyse) Auswertungsverfahren der EBSD-Messungen Transmissionselektronenmikroskopie Ermittlung der mechanischen Eigenschaften Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch Zugversuch Kraft-Eindringprüfungen Härtemessungen Nanoindentierung Ermittlung der Korrosionsresistenz: Potentiodynamische Messung 52 5 Ergebnisse Probenmaterial 53

4 5.1.1 Konzeptlegierungen und thermodynamische Simulationen Abguss und chemische Zusammensetzung Nitride Wärmebehandlung Gefügezustand der Versuchslegierungen Mechanische Prüflingen Instrumentierte Kerbschalgbiegearbeit Zähigkeit der FeCrNi-Legierungen Zähigkeit der FeCrMn-Legierungen Zähigkeit der ferrit- und austenitlastigen Legierungen Zähigkeit der nitridbehafteten Legierungen Einflussfaktoren der Zähigkeit Zugversuch Einfluss der Legierungsvariation auf die Zugfestigkeit, Streckgrenze und Duktilität Kraft-Eindringprüfungen Härtemessungen Nanoindentierung Charakterisierung des Verformungsverhaltens Nickelhaltige Legierungen FeCrNi(Mo,Cu)N Nickel- und molybdänhaltige Legierungen FeCrNiMoN Kupferlegierte Werkstoffe FeCrNiCu Manganhaltige Legierungen FeCrMn FeCr5Mn (1.4162) und FeCrlOMn Kupferlegierte Werkstoffe FeCrMnCu Austenitlastige Legierungen Stickstoffreie ferritlastige Varianten Nitridbehaftete Versuchsstähle HO Einfluss der Legierungselemente auf das Verformungsverhalten Stromdichte-Potential-Messungen U Einfluss der Legierungselemente auf Korrosionsresistenz 115

5 Stickstoff Molybdän Rupfer Mangan und Nickel Diskussion Legierungskonzepte und thermodynamische Simulation Zustandsdiagramme Zweiphasengebiet und Austenitentstehung Erstarrung und Gefugeausbildung Stickstofflöslichkeit und Nitridausscheidung Verformung und Versprödung Ursachen der Tieftemperaturversprödung der ferritisch-austenitischen Duplex-Stähle Spannungszustand des Mischkristalls Mischkristallverfestigung, Bindungskräfte und E-Modul Trennfestigkeit Einfluss der Legierung und des Spannungszustands auf den Gleitwiderstand Einfluss der interstitiellen Elemente aufden Fließbeginn Einfluss der substituierenden Elemente auf Fließbeginn und Verfestigung Mechanismen der Tieftemperaturversprödung Verformungsmechanismen im Ferrit Verformungsmechanismen im Austenit Einfluss der Legierungselemente auf die SFE Einfluss der Legierung und der Wärmebehandlung auf die Tieftemperaturversprödung der Duplex-Stähle Einfluss der Legierungselemente auf die Korrosionsresistenz Passivität und Einfluss von Chrom Stickstoff Molybdän 165

6 6.3.4 Kupfer Nickel und Mangan Zusammenfassung 169 Anhang 175 Tabellen Literatur 191

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