Kalt umformbarer austenitischer Stahlguss mit TRIP/TWIP-Effekt

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1 Kalt umformbarer austenitischer Stahlguss mit TRIP/TWIP-Effekt Horst Biermann, Institut für Werkstofftechnik Andreas Weiß, Institut für Eisen- und Stahltechnologie TU Bergakademie Freiberg, Freiberg Der wird gefördert durch die

2 Motivation des Sonderforschungsbereiches 799 Austenitischer Stahlguss Verformungsmechanismen Umformung Rückumwandlung und Rekristallisation Weitere Entwicklungen Zusammenfassung 1

3 Innovative Sicherheitsbauteile für den Fahrzeug- und Maschinenbau Entwicklung einer neuartigen Werkstofffamilie - Kombination von Stahl und ZrO 2 -Keramik - infiltrierte Strukturen - Partikelverstärkung Quelle: ADAC Hohe Festigkeit, Verformung und Schadenstoleranz Entwicklung neuartiger, filigraner Strukturen Hohes Energieaufnahmevermögen durch kombinierte Energieabsorptionsmechanismen Schadenstolerante Werkstoffe für Verschleißanwendungen Zähe Keramik Infiltrierte keramische Makrostrukturen 2

4 Austenitischer CrMnNi-Stahl Grenzflächendesign MgO-teilstabilisiertes ZrO 2 mit TRIP-Effekt hohes Energieabsorptionsvermögen Stahl- Keramik- Grenzflächen hohe Schadenstoleranz r 0 ohne TRIP-Effekt metastabiles ZrO 2 (tetragonal) umgewandeltes ZrO 2 (monoklin) Druckspannungen Green et al., (1989) CRC Press. modified 3

5 Die neue Werkstofffamilie 4

6 Motivation des Sonderforschungsbereiches 799 Austenitischer Stahlguss Verformungsmechanismen Umformung Rückumwandlung und Rekristallisation Weitere Entwicklungen Zusammenfassung 5

7 Bisherige Entwicklung im SFB A. Weiß et al. / Gießerei 100 (2013), S

8 Hochlegierter, austenitischer Stahlguss als Basislegierung Nickeläquivalent, Ni äq. Martensit Austenit Ferrit Chromäquivalent, Cr äq. 7

9 Bisherige Entwicklung im SFB Zugverformung an Stahlguss Stahl 16Cr 7Mn 9Ni 1Si 0,03C 0,03N 70 % Gleichmaßdehnung 8

10 Bisherige Entwicklung im SFB 16Cr7Mn9Ni RT 2% 16Cr7Mn6Ni 59% 22% austen.-mart. Stahlguss 16Cr7Mn3Ni 83% Weiß, A.,

11 Motivation des Sonderforschungsbereiches 799 Austenitischer Stahlguss Verformungsmechanismen Umformung Rückumwandlung und Rekristallisation Weitere Entwicklungen Zusammenfassung 10

12 Bisherige Entwicklung im SFB TRIP Effekt Martensitische Phasenumwandlung Austenit ε-martensit α -Martensit 5 µm Stahl , 5 % Dehnung 11

13 Bisherige Entwicklung im SFB 10% tensile elongation Austenit austenite fcc Hexagonale Struktur martensite bcc α -Martensit hcp structure DB hexagonal or fcc structure 10 µm SEM BSE image loading axis 10 µm EBSD phase map 12

14 Ergebnisse 1. Förderzeitraum Mechanismen der Bildung, Bewegung und Wechselwirkung von Mikrostrukturdefekten TEM HRTEM / FFT-Analyse Stahl Einzelne Stapelfehler und Deformationsbänder mit hoher Stapelfehler-Dichte Borisova et al., Proc. 14. WTK, Chemnitz, 2011, S Deformationsband mit Mikrozwillingen und Stapelfehlern 13

15 Bisherige Entwicklung im SFB TRIP Effekt Martensitische Phasenumwandlung Austenit ε-martensit α -Martensit TWIP Effekt Mechanische Zwillingsbildung 5 µm 20 µm Stahl , 5 % Dehnung Stahl , Bruchdehnung 14

16 Temperaturabhängigkeit der Verformungsmechanismen, Bedeutung der Stapelfehlerenergie γ SF Stahl S. Martin et al., Solid State Phenomena (2011), C 60 C 100 C 500 nm 10 µm 10 µm Blau α -Martensit, Gelb ε-martensit, Rot - Zwillingsgrenzen 15

17 Bisherige Entwicklung im SFB Temperaturabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften 16

18 Bisherige Entwicklung im SFB Temperaturabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften α -Verformungsmartensit α -Abkühlmartensit 17

19 Bisherige Entwicklung im SFB Vergleich von Guss- und warm umgeformten Gefügezuständen RT A. Jahn, A. Weiß u. a., steel research int. 82 (2011)1, 39 18

20 Gliederung Motivation des Sonderforschungsbereiches 799 Austenitischer Stahlguss Verformungsmechanismen Umformung Rückumwandlung und Rekristallisation Weitere Entwicklungen Zusammenfassung 19

21 Pranke et al. / Journal of Alloys and Compounds 648 (2015)

22 Umformung bei 200 C Stahlguss 15Cr 3Mn 3Ni 0,5Si 0,2C 0,1N Walzen bei T>1100 C 30 mm 15 mm, danach 200 C 13,6 mm 3 mm Walzen 200 C 13,6 mm 3 mm Pranke et al. / Journal of Alloys and Compounds 648 (2015)

23 Bisherige Entwicklung im SFB Umformung Stahlguss 16Cr 7Mn 6Ni 1Si 0,04C 0,05N A. Weiß et al. / Gießerei 100 (2013), S

24 Bisherige Entwicklung im SFB Umformung Stahlguss Cr16 Mn7 Ni6 Si1 C0,04 N0,05 Umformung in 22 Stichen von 14,3 mm auf 0,7 mm ohne Zwischenerwärmung A. Weiß et al. / Gießerei 100 (2013), S

25 Gliederung Motivation des Sonderforschungsbereiches 799 Austenitischer Stahlguss Verformungsmechanismen Umformung Rückumwandlung und Rekristallisation Weitere Entwicklungen Zusammenfassung 24

26 Bisherige Glühung im OfenFB A. Weidner et al. / Materials Science & Engineering A 571 (2013)

27 Bisherige Entwicklung im SFB A. Weidner et al. / Materials Science & Engineering A 571 (2013)

28 Bisherige Lokale Elektronenstrahlbehandlung D. Heinze et al. / Metall. Mater. Trans. (2015), DOI: /s y 27

29 Bisherige Entwicklung im SFB D. Heinze et al. / Metall. Mater. Trans. (2015), DOI: /s y 28

30 Bisherige Entwicklung im SFB D. Heinze et al. / Metall. Mater. Trans. (2015), DOI: /s y 29

31 Arteigenes und artfremdes thermisches Fügen von Stahlguss-Werkstoffen mit Elektronenstrahl-Technologien TRIP-Gusswerkstoffe Löten (T << T S ) µm EB-Mehrspot-Technologien L. Halbauer et al. unpublished. 30

32 Gliederung Motivation des Sonderforschungsbereiches 799 Austenitischer Stahlguss Verformungsmechanismen Umformung Rückumwandlung und Rekristallisation Weitere Entwicklungen Zusammenfassung 31

33 Erhöhung der Fließgrenze und der Festigkeit durch Mischkristall- u./o. Ausscheidungshärtung Zugabe von N, C, V und Wärmebehandlung Spannung [MPa] ( ) Spannung [MPa] Dehnung [%] Steigerung der Festigkeit des austenitischen Stahlgusses Dehnung [%] Entwicklung eines austenitischmartensitischen Stahlgusses mit erhöhter Festigkeit 32

34 Bisherige Entwicklung im SFB Schematischer Ablauf der Wärmebehandlung von AMC-Stahl mit TRIP-Effekt M. Wendler, A. Weiß, Konstruktion 1/2 (2015) IW4/IW5 M. Wendler et al., Proc. 8th Europ. Stainless Steel Conf. (2015),

35 Bisherige Entwicklung im SFB Technische Spannung [MPa] M. Wendler, A. Weiß, Konstruktion 1/2 (2015) IW4/IW5 M. Wendler et al., Proc. 8th Europ. Stainless Steel Conf. (2015),

36 Bisherige Entwicklung im SFB Neuer austenitischer Stahlguss mit TRIP/TWIP-Effekt und austenitisch-martensitisch-carbidischem-gefüge M. Wendler und A., Weiß, A.: unpublished (2014) 35

37 Zusammenfassung: Hochlegierter Stahlguss mit exzellenter Verformbarkeit und Zähigkeit Stahlguss mit hoher Verfestigung und mit sehr hohen Zugfestigkeiten von 1200 MPa bis 2100 MPa im wärmebehandelten Zustand Umformung des Stahlgusses um bis zu 95 % möglich (Ultra-) feinkörniges Gefüge durch Rückumwandlung und Rekristallisation Lokale Gefügeeinstellung durch Elektronenstrahlbehandlung Modifizierte Varianten durch Legierungsmodifikation und Wärmebehandlung 36

38 Danksagung: Finanzielle Unterstützung des Sonderforschungsbereichs 799 durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft M. Wendler, Dr. A. Jahn (IEST) Dr. S. Wolf, Prof. L. Krüger (IWT) Dr. S. Martin, Prof. U. Martin, Prof. D. Rafaja (IWW) Dr. A. Weidner, A. Müller (IWT) D. Heinze, A. Jung, Dr. A. Buchwalder, Prof. R. Zenker (IWT) Dr. K. Pranke, Dr. S. Guk, Prof. R. Kawalla (IMF) 37

39 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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