SFB 761 Stahl ab initio

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1 SFB 761 Stahl ab initio SFB 761 Stahl ab binitio iti Quantenmechanisch geführtes Design neuer Eisenbasis-Werkstoffe Titel

2 Stahl ab initio 1. Motivation Werkstoffentwicklung Methodenentwicklung 2. Wissenschaftliches Konzept Modellierung Werkstoffherstellung Evaluierung 3. Organisation Partner Strukturelle Einbindung 2 Gliederung

3 Stähle sind die bedeutendste metallische Werkstoffgruppe Ni Ti Mg Cu Al Fe (ca. 95 % der Weltproduktion) Weltweite Metallproduktion ca Mio t/a 3 Werkstoffpyramide für metallische Werkstoffe

4 Anspruchsvolle Stähle werden in großen Mengen benötigt Ti 0, Ni-Basis 0, Fe-Cr-Ni-Basis Fe-C-Basis 350 Mio t/a Werkstoffpyramide für anspruchsvolle Flachprodukte auf Fe-, Ni-, Ti - Basis

5 Fe-Basis-Legierungen sind anpassungsfähig und nachhaltig Umwelt Energieverbrauch Materialverbrauch Recycling Nachhaltigkeit Kosten Legierung g Fertigung Nutzen Werkstoffauswahl für Karosserien Produktion Halbzeugfertigung Bauteilfertigung Werkstoffeigenschaften ft Mechanische Physikalische Technologische Konstruktion Oberflächengüte Gestaltungsfreiheit Verfügbarkeit 5 Anforderungen an Karosseriewerkstoffe

6 Fe-Basis-Legierungen sind anpassungsfähig und nachhaltig Umwelt Energieverbrauch Materialverbrauch Recycling Nachhaltigkeit Kosten Legierung g Fertigung Nutzen Ziele: Werkstoffauswahl Leichtbau für Sicherheit Karosserien Energieeffizienz Produktion Halbzeugfertigung Bauteilfertigung Werkstoffeigenschaften ft Mechanische Physikalische Technologische Konstruktion Oberflächengüte Gestaltungsfreiheit Verfügbarkeit 6 Anforderungen an Karosseriewerkstoffe

7 Motivation und Entwicklungsprinzipien ändern sich Stahlgruppe Jahr Entwicklungs- prinzip Motivation nichtrostende Stähle 1912 empirisch chemische V2A Industrie mikrolegierte Stähle 1965 verfahrensgetrieben Erdöl- / Erdgas- TM-Walzen, TEM industrie i Mehrphasenstähle 1990 phänomenologisch Automobil- Gefügedesign, industrie analytische Modelle Fe-Mn-C-Legierung 2007 ab initio Leichtbau Scale Hopping Sicherheit erkenntnisgetrieben Energieeffizienz 7 Beispiele der Werkstoffentwicklung

8 Fe-Mn-C-Legierungen sind thermodynamisch geprägt Stahlgruppe Parameter Verformungsmechanismen mikrolegierte Stähle Korngröße Kornform homogene Versetzungsgleitung Ausscheidungen Mehrphasenstähle + lokale chemische Zusammensetzung Fe-Mn-C-Legierung + Stapelfehlerenergie Thermodynamik Phasenstabilität 8 + inhomogene Versetzungsgleitung + TRIP -Effekt TWIP-Effekt Parameter der Werkstoffentwicklung

9 In Fe-Mn-C-Legierungen konkurrieren mehrere Verformungsmechanismen Slip: homogene Versetzungsgleitung (Slip = Gleitung) T T T DSA: inhomogene Versetzungsgleitung T T Dynamic Strain Ageing TRIP: Verformungsinduzierte Martensitbildung Austenit Transformation Induced Plasticity (TRIP effect) Vor der Verformung Nach der Verformung TWIP: Verformungsinduzierte Zwillingsbildung Austenit Twinning Induced Plasticity (TWIP effect) 9 Vor der Verformung Nach der Verformung Verformungsmechanismen in Metallen

10 Kontrollgröße: Stapelfehlerenergie Stapelfehler Partialversetzungen Zwilling Die Stapelfehlerenergie in J/m 2 ist ein Maß für die Häufigkeit von Stapelfehlern in einem Metallgitter. Eine Veränderung der SFE kann zur Steuerung der Verformungsmechanismen genutzt werden. 10 Darstellung eines Stapelfehlers im Kugelmodell

11 Austenitische Mn-Stähle weisen gleichzeitig hohe Umformbarkeit und hohe Festigkeit auf Umformb barkeit ferritische, einphasige Stähle SLIP TRIP TWIP austenitische DSA Cr-Ni-Stähle ferritische Mehrphasenstähle Austenitische Mn-Stähle Festigkeit 11 Eigenschaftsprofil von kaltumformbaren Stählen

12 Fe-Mn-C-Legierungen ermöglichen außerordentliche Eigenschaftskombinationen Um mformbarkeit Festigkeit Spannun ng in MPa ferritische, einphasige Tiefziehstähle ferritische Mehrphasen- stähle Fe-Mn-C austenitische Cr-Ni-Stähle 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 wahre Dehnung (1) 12 Charakteristische Fließkurven

13 Besonderheiten der Fe-Mn-C-Legierungen Fe-Mn-C-Legierungen stellen nach den krz Fe-C-Stählen und den kfz Fe-Cr-Ni-Stählen potenziell eine neue Matrix für Eisen-Basis-Werkstoffe dar. Fe-Mn-C-Legierungen sind für die geplante neue methodische Vorgehensweise besonders geeignet. In einer Legierungsgruppe stehen alle bisher genutzten Verformungsmechanismen zur Verfügung. Wegen der großen Bedeutung der Stapelfehlerenergie ist dieses Legierungskonzept besonders geeignet für eine thermodynamische Modellierung. 13 Gründe für die Wahl des Legierungssystems

14 Modellierungsansätze auf unterschiedlichen Ebenen werden gezielt eingesetzt Scale-Hopping Ansatz: Effiziente Entwicklung neuer Stähle und Prozesse; Konzentration auf die Kernmechanismen Makroskopische Skala: z.b. Berechnung der lokalen Dehnungsverteilung Mesoskopische Skala: z.b. Berechnung der Verfestigung und der Schädigung als Funktion der Verformungsmechanismen Mikroskopische Skala: z.b. Berechnung der Grenzflächenkinetik Atomare Skala: z.b. Berechnung der Stapelfehlerenergie 14 Modellierungswerkszeuge

15 Quantenmechanisch geführtes Materialdesign Schrödinger-Gleichung: Atome HΨ = EΨ für Atom-Elektron-Vielteilchensystem Vielteilchenwellenfunktion Gesamtenergie Hamilton-Operator mit Wechselwirkungstermen 15 Motivation Methodenentwicklung

16 Die Dichtefunktionaltheorie ermöglicht numerisch beherrschbare ab initio Ansätze Schrödinger-Gleichung: HΨ = EΨ für Atom-Elektron-Vielteilchensystem Kristalle Vielteilchenwellenfunktion Gesamtenergie Hamilton-Operator mit Wechselwirkungstermen 16 Dichtefunktionaltheorie universeller Ansatz keine empirischen Annahmen keine Anpassung an Experimente Motivation Methodenentwicklung

17 ab initio Ansätze behandeln technisch interessante Legierungssysteme Parameterfreie Bestimmung: Elektronenstruktur / chemische Bindung Atomkonfigurationen / Kristallstrukturen Elastische Eigenschaften Energetik und Dynamik von Defekten Magnetische Ordnung γ-eisen α-eisen 17 Motivation Methodenentwicklung

18 Entwicklungsstand ab initio Methoden-Entwicklung: Multiphysik-Simulationen - ab initio Thermodynamik - ab initio Kinetik - ab binitioiti Kontinuumstheorie th i Atome - Pseudopotentiale (US, PAW) (Protected augmented wave) - Populationsanalysen (COHP) - Car-Parrinello-Methode (CP) - All-Elektronen-Codes (FLAPW) Atome - neue DFT-Funktionale (GGA) - Coupled-Cluster-Methode (CC) vor 1980 Dichtefunktionaltheorie (DFT) (Hohenberg-Kohn, Kohn-Sham) 1-10 Atome 18 Motivation: Methodenentwicklung

19 Lange Entwicklungszeiten sollen verkürzt werden TWIP-Effekt TWIP Stahl TRIP für Strukturbauteile TRIP Fe-C Prototyp 1980 TRIP Fe-Cr-Ni TRIP-Effekt 1920 Fe-Ni Hadfield Fe-Mn Forschung Pilot-Fertigung Industrielle Fertigung 19 Motivation: Werkstoffentwicklung

20 SFB ab initio - Gesamtziel Entwicklung einer methodischen h Vorgehensweise zur Werkstoff- und Prozessentwicklung basierend auf ab initio Ansätzen. Werkstoff-Design einer neuen Klasse von Strukturwerkstoffen. Beschleunigung ng der Entwicklungszeit ngs und Reduzierung des Aufwandes bei der Werkstoffentwicklung durch Scale-Hopping". 20 Ziele des geplanten SFB

21 Es werden konkrete theoretische und experimentelle Ergebnisse erwartet Experimentelle Darstellung und Charakterisierung von Werkstoffen mit Fe-Mn-C-Matrix. Nutzung der ab initio Methoden für die Vorhersage von Phasenübergängen g und Mechanismenwechsel. Quantifizierung des Einflusses von chemischer Zusammensetzung, Temperatur und weiterer Parameter auf die Verfestigungsmechanismen. i 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. 21 Ergebnisse nach 4 und 8-12 Jahren

22 Stahl ab initio 1. Motivation Werkstoffentwicklung Methodenentwicklung 2. Wissenschaftliches Konzept Modellierung Werkstoffherstellung Evaluierung 3. Organisation Partner Strukturelle Einbindung 22 Gliederung

23 Schritte der Werkstoffentwicklung 26 55,85 Fe 7, Wissenschaftliches Konzept

24 Skalen der Modellierung σ ε 24 Wissenschaftliches Konzept

25 Neuer Ansatz: Parallelität von Werkstoffentwicklung und Modellierung σ ε 26 55,85 Fe 7, Wissenschaftliches Konzept

26 A Theorie der metallkundlichen Grundlagen σ ε 26 Wissenschaftliches Konzept

27 A Theorie der metallkundlichen Grundlagen σ ε Selektive Modellierung Scale Hopping Begleitende Evaluation 27 Methodik im Projektbereich A

28 B Prozessentwicklung und Probenherstellung 26 55,85 Fe 7, Wissenschaftliches Konzept

29 B Prozessentwicklung und Probenherstellung Werkstoffsynthese Modellierung kritischer Teilschritte Validierung 26 55,85 Fe 7, Methodik im Projektbereich B

30 C Prüfmethodik und Evaluation σ ε 30 Wissenschaftliches Konzept

31 C Prüfmethodik und Evaluation σ ε Umfassende Werkstoffevaluation Entwicklung neuer Prüfmethoden Korrelation: - Mikrostruktur - Verformungsmechanismen - Eigenschaften 31 Methodik im Projektbereich C

32 Die Stapelfehlerenergie als verbindendes Element der Projektbereiche σ ε Beispiel für Vernetzung: Stapelfehlerenergie 26 55,85 Fe 7, Wissenschaftliches Konzept

33 Stahl ab initio 1. Motivation Werkstoffentwicklung Methodenentwicklung 2. Wissenschaftliches Konzept Modellierung Werkstoffherstellung Evaluierung 3. Organisation Partner Strukturelle Einbindung 33 Gliederung

34 Sprecher und Verantwortlichkeiten Sprecher Prof. W. Bleck (RWTH) stellv. Sprecher Prof. D. Raabe (MPIE) Sprecher der Projektbereiche A: THEORIE B: PROZESSE C: EVALUATION Prof. Dronskowski (RWTH) Prof. Hirt (RWTH) Prof. Pyzalla (MPIE) 34 Organisation

35 RWTH: 13 Teilprojekte MPIE: 4 Teilprojekte Dronskowski:ab initio Senk A1 B1 C1 Quantenchemie Erstarrung Neugebauer/Hickel: A2 ab initio Thermodynamik Schneider / Hallstedt A3 Thermodynamik Emmerich A4 Phasenfeldsimulation A5 A6 Bleck Mechanismenkarte Gottstein / Mohles Grenzflächen Roters / Winning A7 Mikrostrukturmechanik B2 B2 B2 Hirt Warmumformung Hirt Kaltumformung Molodov / Gottstein Wärmebehandlung C2 C3 C4 Mayer Mikrostruktuanalytik Bleck: Verformungsmechanismen Schneider / Music lok. mech. Eigensch. Raabe / Zaefferer Textur & Anisotropie Pyzalla / Pinto C5 Defekte & Spannungen Prahl C6 Schädigung Versagen RWTH MPIE 35 Gliederung in Teilprojekte

36 RWTH MPIE ergänzen sich bezüglich fachlicher Ausrichtung und Methoden Methoden Abbildung der Prozesskette Prüfmethoden Spezialwissen ab initio Methoden (Bindungsanalyse) Prozess-Simulation Werkstoff-Entwicklung Methoden 3-D Orientierungsanalyse Synchroton-Strahlung Spezialwissen ab initio Methoden (T > 0 K) Kristallplastizität Fe-Mn-Stähle erprobte Zusammenarbeit RWTH - MPIE gemeinsame F&E Projekte, Habilitationen, Promotionen 36 Gründe für die Zusammenarbeit RWTH - MPIE

37 Der SFB unterstützt die geplanten strukturellen Maßnahmen an der RWTH Förderung von Profilbereichen Werkstoff-Forum 57 beteiligte Professoren Identifizierung und Förderung von Future Growth Areas durch Einrichtung fakultätsübergreifender Zentren CCES Center for Computational Engineering g Science Stärkung und Profilierung der Naturwissenschaften CCC Computational Chemistry Coalition Kooperation mit externen Partnern ER-C Ernst Ruska Zentrum für Elektronenmikroskopie Einbindung in die Struktur der RWTH

38 Nachwuchsförderung SFB / RWTH Durchschnittsalter der Antragsteller: 42 Jahre 5 angestrebte Habilitationen 8 Nachwuchswissenschaftler mit Teilprojektverantwortung Antrag integriertes Graduiertenkolleg bis Ende 2007 Nachwuchsförderung an der RWTH Aachen CDS Center for Doctoral Studies AICES Aachen Institute of Computational Engineering Science GRS German Research School Simulation Science Pflicht und Wahlfächer für Ingenieure und Naturwissenschaftler Graduiertenschule / Exzellenzinitiative Kooperation Forschungszentrum Jülich und RWTH 38 Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses

39 Der SFB wird eingebettet in ein bereits existierendes wissenschaftliches Umfeld Summer School IDEA 2005, 2006, 2007 (IMM) Workshops ab initio description of Iron & Steel MPIE 2006, 2008 jährliche Eifelkolloquien RWTH/IEHK Symposien / Konferenzen Recent Developments in Steel Design RWTH/IEHK 2006, 2008 Modellierung in der Festkörper- und Materialchemie RWTH 2006 jährliches Aachener Stahl Kolloquium RWTH DGM FA Computersimulation MPIE TRIP-Workshop NIMR/RWTH Wissenschaftliches Programm

40 Stellen und Investitionen Grundausstattung 34 WM 21 NWM Ergänzung 17 WM 8,5 NWM Die Techniker nehmen vor allem Aufgaben bei der Werkstoffherstellung und der Werkstoffprüfung wahr; sie werden zudem eingesetzt bei der Entwicklung von neuen Prüfmethoden. Beispiele für Investitionen: Beherrschung des Mangan-Dampfdrucks beim Vakuum- Schmelzen On-line Gefügemonitoring mittels Weißlicht-Konfokal- Mikroskopie 40 Beantragte Ergänzungsausstattung

41 Beispiele für Investitionen Weißlicht-Konfokal-Mikroskopie TRIP-Stahl Vakuum-Metallurgie Restaustenit ~13% Martensit ~21% Ferrit ~ 20% Ferrit ~18% Ferrit ~28% Mn-Dampfdruck-Kondensator H 2 -Messung Rezipient / Manipulator für Vakuumprobenahme 41 Beantragte Ergänzungsausstattung

42 Mitglieder des SFB mit Teilprojekt-Verantwortung 42 Fotos der Antragsteller

43 43 SFB-Team