Gesamtvorstellung des SFB 761 - Stahl - ab initioabinitio.iehk.rwth-aachen.de/sites/default/files/inline-files/Gesamtkonzept_2015.pdf · Gesamtvorstellung des SFB 761 Prof. Dr.-Ing

Gesamtvorstellung des SFB 761Wolfgang Bleck

Sonderforschungsbereich

SFB 761Stahl – ab initio

Quantenmechanisch geführtes Design

neuer Eisenbasis-Werkstoffe

Grau, teurer Freund, ist alle Theorie, und Grün des Lebens goldner Baum.

J. W. Goethe: Faust I

Gesamtvorstellung des SFB 761

Prof. Dr.-Ing. W. Bleck

2 von 40

Entscheidungssituation und Methoden der Werkstoffentwicklung

hoch

niedrig

RisikoReifegrad

HSLA AHSS HMnS

Industrielle Umsetzung201019901970

Modellbildung200019901980

Werkstoff; Zeit

HSLA: High Strength Low Alloy AHSS: Advanced High Strength Steels HMnS: High Manganese Steels



3 von 40

Gliederung

• Ziele

• Ergebnisse

• Struktur

• Dokumentation

• Wirkung



4 von 40

Ziele und Schwerpunkte

Die allgemeinen Ziele des SFB sind:

Entwicklung von Methoden zur Werkstoff- und Prozessentwicklung für

metallische Werkstoffe basierend auf ab initio Ansätzen

Design einer neuen Klasse von Strukturwerkstoffen mit einer außer-

gewöhnlichen Kombination von Festigkeit und Umformbarkeit

Reduzierung des Aufwandes durch wissensbasierte Vorgehensweise

bei der Werkstoffentwicklung

Neue Methoden zur Entwicklung von Strukturwerkstoffen

Die Schwerpunkte des SFB in den Phasen I und II waren:

I Methodenentwicklung II Spezielle Anwendung (TWIP)

Jetzt beantragt: Evaluation und allgemeine Anwendung

TWIP: twinning induced plasticity



5 von 40

Verformungsmechanismen in hoch Mangan Stählen

g

k k

k

k

k

kk

Tk TT

TT

TT

T

T

T

T TT TT

TTT

T

TTTTransformation

during

deformation

Twinning

during

deformation

Dislocation

generation and

reactions

Dislocation

channels by

intermetallics

SLIP TRIP TWIP MBIP

SLIP: Dislocation slip TRIP: transfomation induced plasticity TWIP: twinning induced plasticity MBIP: Microband induced plasticity

T T



6 von 40

Gliederung

• Ziele

• Ergebnisse

• Struktur

• Dokumentation

• Wirkung



7 von 40

Verformungsmechanismen I - Methodenentwicklung

SFE-Konzept 2007 2D-Mechanismenkarte 2011

Kohlenstoffgehalt

Man

gang

eha

lt

TRIP: transfomation induced plasticity TWIP: twinning induced plasticity

a‘ –Martensit e – Martensit SFE: StapelfehlerenergieA. Saeed-Akbari, L. Mosecker, A. Schwedt, W. Bleck:

Metall. Mater. Trans. A, 43A (2012) 1688-1704



8 von 40

Verformungsmechanismen II - Methodenentwicklung

SFE-Konzept 2007

2D-Mechanismenkarte 2011 3D-Mechanismenkarte 2014

TRIP: transfomation induced plasticity TWIP: twinning induced plasticity MBIP: MicroBand Induced Plasticity

W. Song, T. Ingendahl, W. Bleck:

Acta Metall. Sin. (Engl. Lett.), 27 (2014) 3 546-556

A. Saeed-Akbari, L. Mosecker, A. Schwedt, W. Bleck:

Metall. Mater. Trans. A, 43A (2012) 1688-1704



9 von 40

Zwillingsgrenzen I – Neue Beobachtungen

HR-TEMZwilling - schematisch

HR-TEM: High Resolution - Transmission Electron Microscopy

m

m: Spiegelebene



10 von 40

Zwillingsgrenzen II – Neue Beobachtungen

HR-TEMZwilling - schematisch

HR-TEM: High Resolution - Transmission Electron Microscopy

m

m: Spiegelebene



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Zwillingsgrenzen III – und deren Deutung

HR-TEM

Struktur

ab initio – Berechnung

der Atompositionen

FM Ordnung

NM: Nicht Magnetischer Zustand FM: FerroMagnetismus

AFM: AntiFerroMagnetismus PM: ParaMagnetismusHR-TEM: High Resolution - Transmission Electron Microscopy



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Fertigung I - Prozessentwicklung

Blockguss-Route (2011)

Bandguss-Route (2014)

2 mm

Schmieden WarmwalzenHomogenisieren

100 kg

Gussband

2,4 mmWarmband

2 mm

Warmband über 2 Prozessrouten

Bandbreite : 150 - 200 mm

Banddicke: ~ 2 mm

Kaltband

M. Daamen, O. Güvenç, M. Bambach, G. Hirt: CIRP Annals - Manufacturing Technology 63 (2014) 265–268.



13 von 40

1. Phase

HMnS Austenit TRIP, TWIP

Mechanismen

Fertigung II – Werkstoffe, Bauteile

2. Phase


HMnS + Al Austenit + k-Phase TRIP, TWIP, MBIP

Mechanismen, Grenzfläche

3. Phase


HMnS + Al Austenit + k-Phase TRIP, TWIP, MBIP

MMnS Austenit + Ferrit (Martensit oder Bainit)

Mechanismen, Grenzflächen, Mikrostruktur

erste Anwendungen

TWIP-Material

Quelle: FIAT – Nuovo Panda

Werkstoffauswahl 1., 2. und 3. Antragsphase Demo-Bauteil: Crashbox

O. Güvenç, F. Roters, T. Hickel, M. Bambach: JOM 67 (2015)



14 von 40

Lösungsenthalpie von C in

Fe-Mn-Oktaedern

Eigenschaften I

Stahlbezeichnung DIN EN 10027-1 und -2: TWIP: X60Mn18 TWIP Al: X60MnAl17-1 Edelstahl: X5CrNi18-10

FeMn

X5CrNi18-10

X60MnAl17-1

X60Mn18

Fließkurven

TWIP

TWIP Al

Edelstahl



15 von 40

Rechenansatz Streckgrenze:

X5CrNi18-10

X60MnAl17-1

X60Mn18

Eigenschaften II – neue Ergebnisinterpretation

Mischkristallverfestigung

sy (MPa) = 228 + 187(wt%C) - 2(wt%Mn)

O. Bouaziz, H. Zurob, B. Chehab, J. D. Embury, S. Allain, M. Huang:

Materials Science and Technology 27 (2011) 707-709.

Stahlbezeichnung DIN EN 10027-1 und -2: TWIP: X60Mn18 TWIP Al: X60MnAl17-1 Edelstahl: X5CrNi18-10

Fließkurven

TWIP

TWIP Al

Edelstahl Nahordnung + Gefüge

sSRO =M tSRO = M (Erandom – ESRO) / b3

sy (MPa) = 90 + sSRO + 11,3 d-1/2

J.-H. Kang: T. Ingendahl, J. von Appen, R. Dronskowski, W. Bleck:

Materials Science and Engineering A (2014) 122-128



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Charakterisierung – quantitative Analyse auf der nm-Skala

STEM / TEM

FIB Zielpräparation

APT

3D-ElementverteilungKorngrenzen Orientierungen

FIB: Focussed Ion Beam STEM: Scanning Transmission Electron Microscope APT: Atom Probe Tomography Herbig et al: Physical Review Letters 112 (12) 2014



17 von 40

Gliederung

• Ziele

• Ergebnisse

• Struktur

• Dokumentation

• Wirkung



18 von 40

Prozessentwicklung und Probenherstellung

Theorie der metallkundlichen Grundlagen

Prüfmethodik und Evaluation

Entwicklung der Teilprojekte im SFB

A1 2007

A7

B1

B4

C1

C6

A

C

B



19 von 40

A1 2011

A10

B1

B7

C1

C9

MGK

T1

Entwicklung der Teilprojekte im SFB

A1 2007

A7

B1

B4

C1

C6

A4→A8

B5

B6

B7

C7

C8

C5→C9

A9

A10

Defekte &

Eigenspannungen

A6

C7

C9

C10

A1 2015

A10

B1

B6

C1

C10

MGK

T3

T4

T3

T4

T1-Ende

B7

personelle /

inhaltliche

Neuorientierung

neue Projekte

geplante Beendigung

Festkörper-NMR-

Spektroskopie

Referenz-

materialien

Grenzflächen

Modulintegriertes Graduiertenkolleg

Transferprojekte unter industrieller

Beteiligung



20 von 40

Neue Teilprojekte der 3. Antragsphase

A1 2015

A10

B1

B6

C1

C10

MGK

T3

T4

Verformungsverhalten von mehrphasigen Stählen

(Ponge, Sandlöbes)

Werkstoff- und Bauteildesign für Anwendungen in

der Automobilindustrie (Bleck;

Faurecia Autositze GmbH;

ThyssenKrupp Steel Europe AG;

Hoesch Hohenlimburg GmbH)

Einfluss der Mikrostruktur auf die Wasserstoff-

versprödung in Cr-haltigen hoch Mangan Stählen

(Hickel, Neugebauer;

Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH)

T2 Antragstellung zurückgestellt

T3

C10

T4



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Cloud-Definition:

Klar definierte wissenschaftliche Fragestellung

Leitung durch Nachwuchswissenschaftler

Herausfordernde Themen

Flexible Zusammensetzung

Schneller Zugriff auf num. und exp. Methoden

Kreative, zielgerichtete Bearbeitung der Fragen

Cloud-Struktur

A1 2015

A10

B1

B6

C1

C10

MGK

T3

T4

Hydrogen

Management

Interface

Engineering

Strain Hardening

Engineering



22 von 40

Gliederung

• Ziele

• Ergebnisse

• Struktur

• Dokumentation

• Wirkung



23 von 40

Aktivitäten im SFB

MSE 2012Materials Science & Engineering

Darmstadt, 25.-27. Sept. 2012

MSE 2014Materials Science & Engineering

Darmstadt, 23.-25. Sept. 2014

Ende

2. PhaseJuni 2015

Start 2. PhaseJuli 2011

Konferenzen

THERMEC 2013Las Vegas, 2.6. Dez. 2013MRS FallMeeting

Boston, USA

25.-30. Nov. 2012

THERMEC 2011Quebec, 1.-5. Aug. 2011

TMS 2012Orlando, 11.-15. 3. 2012

TMS 2013San Antonio,

03.-07. 3. 2013

Rolling 2013Venedig,

10.-12. 6. 2013

Aachen,

31.8.-4.9.2014

Workshops

ADIS 2012Thermodynamics

& Kinetics

29.4.-4.5. 2012

ADIS 2014Multiple Impact

Of Magnetism

26.31. 10. 2014

ThyssenKrupp

IdeenparkEssen

11.-23. 8. 2012

MRS FallMeetingBoston, USA

30. Nov.-5.Dez. 2014

KlausurenIBK

201520122011 20142013

IBK: Industrie Berater Kreis ADIS: Ab Initio Description of Iron and Steel



24 von 40

Menschen im SFB – wissenschaftliche Karrieren

2011

2 Habilitationen

7 Promotionen

2015

1

10 (+7 in 2015)

2011 – 2014

Diplom- und Masterarbeiten 51

Bachelor- und Studienarbeiten 81



25 von 40

Menschen im SFB – Frauenkarrieren

Kontinuität TP-Leiterin

Dr. Brühl (home office)

Dr. Richter

Dr. Sandlöbes

AbgängeDr. Dahmen

Dr. Reeh

Dr. Stratemeier

ZugängeDr. Beig-Mohammadi (RWTH)

Dr. Dey (IITG, Indien)

Dr. Guo (RWTH)

Dr. Kang (Uni Cambridge)

Lintzen (RWTH)

Mosecker (TU Dresden)

Prof. Scheu (LMU München)

Dr. Song (ICAMS Bochum)

Wittmers (RWTH)

Dr. Wong (Cornell Uni, USA)

Industrie

GästeDr. Brückner (Outokumpu)

Dr. Limmer (Uni of Missouri)



26 von 40

Menschen im SFB – Frauenkarrieren

RWTH Aachen 16 % Professorinnenanteil

Fakultät Georessourcen und Materialtechnik15 % Professorinnenanteil

Bachelor- und Masterarbeiten SFB30 % Studentinnenanteil

Familienförderung- 2 Frauen mit 2 Babypausen- Teilzeit für Männer und Frauen- home office- Eltern-Kind-Büro- Total E-Quality Award 2014



27 von 40

Strukturmaßnahmen

Neue RWTH Professuren Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 2012 Frau Prof. Zander (Heisenberg-Professur)

2012 Juniorprofessor Hu

2014 Frau Prof. Scheu (gemeinsam mit MPIE)

2015 NN „Werkstoff- und Bauteilintegrität“

3 „Leerprofessuren“ gemeinsam mit FZJ, DLR

Sofja Kovalevskaya - Antrag bei der AvH-Stiftung

MatSE: Profilbereich Materials Science and Engineering Initiative StrucMat

Profilhaus ICME

Nanoscale Lab (APT, FIB, REM+EBSD)

AICES: Graduiertenschule "Aachen Institute for Advanced Study in

Computational Engineering Science"

HPC-Initiative NRW-Antrag für „Tier 2“Hochleistungsrechencluster

JARA: Jülich Aachen Research Alliance ER-C Ernst Ruska-Centrum

JARA-HPC Lab: Ab initio Methoden in Chemie und Physik

DAMASK: Düsseldorf Advanced MAterial Simulation Kit Open Source Toolkit für Kristallplastizität

Nutzung durch weltweit >15 Forschungsgruppen und Industriefirmen



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Einsatz der Pauschalen Mittel

Prozessentwicklung und Probenherstellung

Wechselwirkung Schmelze – ff-Material

Erhöhung Blockgewicht

Bauteilherstellung

Probenherstellung mittels Selective Laser Melting

Entwicklung Prüftechnik

Heiztisch für in-situ Texturmessungen

Atomabsorptionsspektroskopie

EBSD – Kamera-Upgrade

GOM – Messobjektive

Nanoindenter – Upgrade

Upgrade 3-Punkt-Biegetisch

B1

B2

B2

C6

B4

B7

C1

C2

C3

C6



29 von 40

RWTH-Studierende in der FachgruppeMaterialwissenschaften und Werkstofftechnik



30 von 40

RWTH-Studierende in der FachgruppeMaterialwissenschaften und Werkstofftechnik

Neue Lehrveranstaltungen:

Microstructure, Microscopy, Modelling(seit 2010) Zaefferer, Hickel, Prahl

Integrative Computational Materials Engineering(seit 2014) Prahl u.a.



31 von 40

Gliederung

• Ziele

• Ergebnisse

• Struktur

• Dokumentation

• Wirkung



32 von 40

Vergleich Festigkeit – Umformbarkeit verschiedener Stähle

Festigkeit

Um

form

ba

rke

it

Hoch-Mn-Stähle

(austenitische

Einphasenstähle)

ferritische

Einphasenstähle

ferritische

Mehrphasenstähle

Mittel-Mn-Stähle

(austenitische

Mehrphasenstähle)

AHSS = Advanced High-Strength Steels



33 von 40

Fokus zukünftiger Entwicklungen

Festigkeit

Um

form

ba

rke

it+ Verfestigungsverhalten

+ Verformungs-

mechanismen

Legierungsgehalt

+ Eigenschaftsprofil

+ Prozesstechnik

Grenzflächen



34 von 40

Vergleich Festigkeit – Umformbarkeit verschiedener Stahlkonzepte

Festigkeit

Um

form

ba

rke

it

Hydrogen

Management

Interface

Engineering

Strain Hardening

Engineering



35 von 40

Nanostrukturierte Stähle

g

k k

k

k

k

kk

Tk TT

TT

TT

T

T

T

T TT TT

TTT

T

TTT

Transformation

during

deformation

Twinning

during

deformation

Transformation

+

precipitation

Dislocation

channels by

intermetallics

SLIP TRIP TWIP MBIP

SLIP: Dislocation slip TRIP: transfomation induced plasticity TWIP: twinning induced plasticity MBIP: Microband induced plasticity MMnS: Mittel-Mn-Stähle

T T

α‘retained γ

Bainit MMnS

GrenzflächenTransfer✓

ga’ Prozess



36 von 40

Vision I: Quantitatives Verständnis der Steuergrößen

bcc

fcc

hcp

Kristallstruktur

FM

PM

Magnetisierung

SLIP

TRIP

TWIP

MBIP

TT

k k

k

k

k

kk

Tk TTTT

T T T

T

TTT TT

T TTT

T

Verformungsmechanismus

Mehrphasigkeit

α‘ retained γ

ga’



37 von 40

Spannung s

[MP

a]

0 20 40 60 80 100Dehnung e [%]

TRIP

Stahl

TWIP Stahl

Vision II: Individuelle Einstellung von mechanischen Kenngrößen

für beanspruchungsoptimierte Bauteile

Quelle: Future Steel Vehicle, World Auto Steel Report

Neues Qualitätsniveau

bei der Werkstoffentwicklung

Sonderforschungsbereich

SFB 761Stahl – ab initio

Quantenmechanisch geführtes Design

neuer Eisenbasis-Werkstoffe

“An ab initio theory of strain hardening, with a quantitative prediction of

the numerical constants, is unlikely to ever be derived even for a specific

case, and impossible with any generality.“ Kocks, U. F.; Mecking, H.:

Progress in Materials Science 48/3 (2003) 171–273

Projektbereiche A, B, C Cloud II, III, ITransfer

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