SFB 761 ab Initioabinitio.iehk.rwth-aachen.de/sites/default/files/inline...Links: Dreistoffsystem Fe-Mn-Al bei verschiedenen Temperaturen; der gelbe Bereich markiert den für den SFB

SFB 761 „Stahl ab initio“ SFB 761 „Stahl ab initio“

Prozessentwicklung und Probenherstellung

Projektbereich B

2

Arbeitsschwerpunkte im Projektbereich B

Projektbereich B: Prozesse

Werkstoffsynthese

Technische Prozessketten

(-folge; -parameter)

Chemische Synthese

Modellierung kritischer Teilschritte

Nutzung von Kenngrößen aus A und C

Integration von Modellen aus A

Validierung

Ab initio-Kenngrößen

Mesoskopischer Gefügemodelle

Makroskopischer Prozessmodelle

B C

Charakteri-

sierung

A

Werkstoff-

synthese

Modell-

entwicklung

Validierung

3

Erweiterung Bereich B: Reinheit, Homogenität, Fe-Mn-C-Al

Bereich B: Überblick

B1 B2 B4 B5 B6 B7

Gießen Umformung Wärme-

behandlung

ESU Bandgießen Synthese

Projekte der ersten Phase (Fortführung) Erweiterung in der zweiten Phase

Wesentliche Ergebnisse

Prozesskette Blockguss, Schmieden,

Glühen, Walzen für HMS entwickelt

8 Legierungsvarianten technisch

homogen hergestellt

Parameter zur Gefügeentwicklung und

zum Umformverhalten bestimmt

Werkstoffmodelle zur Gefügeentwick-

lung angepasst und weiterentwickelt

Ziele

Elektro-Schlacke-Umschmelzung

Reduktion der Makroseigerung

Steigerung des Reinheitsgrads

Bandgießen

Reduktion der Mikroseigerungslänge

durch Rascherstarrung

Verkürzung der Prozesskette

Chemische Synthese

reine Proben

4

Experimente zur Erstarrung B1

Bereich B: Teilprojekt B1

Schmelz- und Erstarrungsmetallurgie:

Legierung / Gase

Herstellung von Versuchsmaterial

Prozessmodellierung und -simulation

Ca. 30 Schmelzenvarianten als Blöcke

gegossen zur Halbzeugherstellung

Lenkung des Erstarrungsgefüges

Thermodynamische Daten

Modellierung von:

Entfernung von [H] und [N]

Mikro- und Makroseigerung

Makroporenbildung

Erstarrungsgefüge

Validierung anhand von Experimenten;

nachfolgende Anwendung für Simulation

Lenkung des

Gefüges

Geschwindigkeitskonstanten k der Wasserstoffentfernung

in Abhängigkeit von der Schmelztemperatur

Vakuumofenanlage VI-4 des IEHK (100 kg)

70 mm 70 mm

Minimierung des

Lunkers

1 min 1 min 1 min 1 min

Ziele (Phase 1)

Ergebnisse (Phase 1)

140 mm 140 mm

Mit

tlere

r P

art

ikeld

urc

h-

messer

(μm

)

16

14

12

10

8

Part

ikeld

ich

te [

x10

6]

(mm

2)

4

6

2

0

10

9

8

7

6

4

5

2

0

3

1

Abstand vom Rand (mm) 0 10 20 30 40

5

Experimente zur Erstarrung

Ermittlung der Gießparameter für das

Legierungssystem Fe-Mn-C-Al

Beschreibung des Al-Einflusses auf das

Erstarrungsgefüge im:

Makro- und Mikrobereich

Verbesserung des metallischen und

nichtmetallischen Reinheitsgrades

B1

Vakuumschmelzen

Variation der Herstellparameter,

insbesondere der Abkühlraten und

Konvektion

Probencharakterisierung mit Licht- und

Elektronenmikroskopie sowie EDX

numerische Modellierung: 1-, 2-, 3 Dim.


*

Partikeldichteverteilung in Abhängigkeit der Lage im Block

Links: Dreistoffsystem Fe-Mn-Al bei verschiedenen

Temperaturen; der gelbe Bereich markiert den für den SFB

interessanten Bereich

(*Nach Xingjung, L; Shiming, H.: Calphad 17 (1993), 1, 79/91)

Rechts: Numerische 3D Modellierung einer Seigerungs-

verteilung von Mn im Stahlblock

Tem

pera

tur

[°

C]

26,71

19,22

Ziele (Phase 2)

Methoden

6

Umformung

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Umformgrad

Flie

ßsp

an

nu

ng

[M

Pa

]

700°C

Mn23C0.3 (I); 10 s-1

Mn23C0.6 (II); 10 s-1

AISI 304 (1.4301); 10 s-1

Ziele (Phase 1)

B2


Seigerungen des Mangangehalts von über 8 Mass.-% auf 2

Mass.-% durch Schmieden, Glühen und Walzen reduziert


Prozesskette zur Herstellung homogenen

Halbzeugs entwickelt

Bereitstellung von Warm- und Kaltband

Fließkurven von 3 HMS bestimmt

Modelle für DRX und SRX für 1 HMS

Einbindung eines TWIN-Modells (A7) in

ABAQUS - Umformsimulation

Herstellung geeigneten Halbzeugs

Warmband

Kaltband (anstelle TP B3)

Werkstoff- und Prozessmodelle

Gießen

(B1)

100 kg 3 Stiche 1150°C 12 Stiche < 50 Stiche

140*140 mm² 55 mm 3 mm 0,3-1,5 mm

>1600 °C 1150°C 5 h 1150°C RT

C1

7

Umformung

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Umformgrad

Flie

ßsp

an

nu

ng

[M

Pa

]

700°C

Mn23C0.3 (I); 10 s-1

Mn23C0.6 (II); 10 s-1

AISI 304 (1.4301); 10 s-1

Ziele (Phase 1)

B2


Prozesskette zur Herstellung homogenen

Halbzeugs entwickelt

Bereitstellung von Warm- und Kaltband

Fließkurven von 3 HMS bestimmt

Modelle für DRX und SRX für 1 HMS

Einbindung eines TWIN-Modells (A7) in

ABAQUS - Umformsimulation

• Bei niedriger Temperatur liegt die Anfangsfließspannung

von HMS unter der Referenz 1.4301

• Über 900°C entsprechen Werte und Verlauf der

Fließspannungen etwa der Referenz 1.4301


Herstellung geeigneten Halbzeugs

Warmband

Kaltband (anstelle TP B3)


SRX-Kinetik bei 1050 °C, 0,1 s-1 und Vorumformgrad von 0,16

8

Umformung

Ziele (Phase 2)

Bereitstellung von Halbzeug (Neue Güten

mit Al, definierte Mikrostruktur)


Stichprobenartige Weiterverarbeitung

B2

Methoden

Umformexperimente und Simulation

Schmieden, Walzen, Stauchen, Biegen,…

Halbwarmumformung

Grundversuche zur Entwicklung und

Parametrierung der Werkstoffmodelle

Sensitivitätsanalyse: Abhängigkeit der

Bauteileigenschaften von der chemischen

Zusammensetzung bzw. SFE


Ausgangskorngröße: ca. 85 µm

Stauchexp.(1020°C, 10 s-1 ,φ=0,7) ca. 60 µm

Simulation DRX: ca. 55 µm

400 °C: TWIN-Routine entspricht Fließkurve

20 °C: TWIN-Routine überschätzt Fließspannung geringfügig

A7

Fe22Mn0.6C

9

Wärmebehandlung

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Umformgrad

Flie

ßsp

an

nu

ng

[M

Pa

]

700°C

Mn23C0.3 (I); 10 s-1

Mn23C0.6 (II); 10 s-1

AISI 304 (1.4301); 10 s-1

Ziele (Phase 1)

B4



Entwicklung optimaler Verfahren zur

gezielten Einstellung der Mikrostruktur

Vorhersage der Mikrostruktur- und Textur-

entwicklung während der Wärmebehand-

lung von hochmanganhaltigen Stählen

Entwicklung und erfolgreiche Validierung

der Modelle zur Simulation der

Rekristallisation und des Kornwachstums

Bestimmung des

Rekristallisationsverhaltens von 2 HMS

Formulierung analytischer Modelle zur

Beschreibung des Kornwachstums 10

-210

-110

010

110

210

310

4

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

670°C

630°C

560°C

Fra

ctio

n R

ecry

sta

llize

d,

Xv

Annealing Time [s]

Rekristallisationskinetik des Fe22Mn0.6C (TWIP)

=200 µm; Map2; Step=0.5 µm; Grid1000x500

ε-M

Σ3 Twin

Non-Indexed area

EBSD-Aufnahme eines TRIP-Stahls zeigt einen großen

Anteil von ε-Martensit nach 40% Verformung.

10

Wärmebehandlung B4


0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Umformgrad

Flie

ßsp

an

nu

ng

[M

Pa

]

700°C

Mn23C0.3 (I); 10 s-1

Mn23C0.6 (II); 10 s-1

AISI 304 (1.4301); 10 s-1

Ziele (Phase 1)

Entwicklung optimaler Verfahren zur

gezielten Einstellung der Mikrostruktur

Vorhersage der Mikrostruktur- und Textur-

entwicklung während der Wärmebehand-

lung von hochmanganhaltigen Stählen


Entwicklung und erfolgreiche Validierung

der Modelle zur Simulation der

Rekristallisation und des Kornwachstums

Bestimmung des

Rekristallisationsverhaltens von 2 HMS

Formulierung analytischer Modelle zur

Beschreibung des Kornwachstums

Vergleich von 3D

Kornwachstumssimulationen

mit theoretischen Vorhersagen

Experimente

und Simula-

tionen weisen

auf eine sehr

schwache

Textur der

untersuchten

Legierungen

Fe22Mn0.3C

Fe22Mn0.6C

hin

Vergleich mit

Experimenten zeigt eine

gute Übereinstimmung

11

Wärmebehandlung

Ziele (Phase 2)

Weiterentwicklung der Simulations-

modelle mit Berücksichtigung der neuen

Legierungselemente (Al)

Experimentelle Untersuchung der neuen

Legierungen

B4

Mikrostrukturelle Charakterisierung durch

SEM, EBSD, TEM, usw.

In-situ Experimente in Bikristallen zur

Messung der KG-Beweglichkeit

Simulation der Rekristallisation mittels

eines zellulären Automats

Simulation des Kornwachstums mittels

eines Vertex-Modells

Methoden

Rekristallisation (RX): Zellulärer Automat 3D

Kornvergrößerung (KV): Vertexmodell 2D, 3D

Experimentelle Untersuchungen zu RX und KV

SEM+EBSD 10

-210

-110

010

110

210

310

4

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

670°C

630°C

560°C

Fra

ction R

ecry

sta

llized,

Xv

Annealing Time [s]

Prozessoptimierung Validierung

+ Ausgangsdaten

Prozessoptimierung Ausgangsdaten

Pro

ze

sso

ptim

ieru

ng

Va

lidie

rung


12

Seigerungsminimierung durch ESU-Verfahren

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Umformgrad

Flie

ßsp

an

nu

ng

[M

Pa

]

700°C

Mn23C0.3 (I); 10 s-1

Mn23C0.6 (II); 10 s-1

AISI 304 (1.4301); 10 s-1

Motivation/Zielsetzung

Minimierung von Seigerungseffekten

insbesondere hinsichtlich Mangan

Erhöhung des Reinheitsgrades

Verkürzung / Vereinfachung der

thermomechanischen Prozesskette

Einordnung in den SFB

Umwandlung des primären Gussgefüges

aus B1 in

technisch homogenes (Mikro- und

Makroseigerungen) Probenmaterial

unter gleichzeitiger Erhöhung des

nichtmetallischen Reinheitsgrads.

Ermittlung thermophysikalischer

Schlackeneigenschaften

B5

Prinzipskizze Elektroschlackeumschmelzen


13


0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Umformgrad

Flie

ßsp

an

nu

ng

[M

Pa

]

700°C

Mn23C0.3 (I); 10 s-1

Mn23C0.6 (II); 10 s-1

AISI 304 (1.4301); 10 s-1

Eigene Vorarbeiten

Industrieprojekte (z.B. Carpenter, TK-VDM)

ESU von TiAl (EU: NMP-CT-2004-500635)

Mitwirkung in erster Phase SFB761 über

Vorversuche (IME-IBF-IEHK Publikation)

Ergebnisse

Signifikante Erhöhung des

nichtmetallischen Reinheitsgrades

Seigerungsausmaß abhängig von lokaler

Erstarrungszeit stärkere Seigerung und

gröberes Gefüge in Blockmitte

Randschlacke hemmt Wärmestrom

besserer Wärmeübergang notwendig

B5

Vergleich des Reinheitsgrades mittels REM

links: nach VIM, rechts: nach ESU


Bereich bereits

entfernter Schlacke

Bereich anhaftender

Randschlacke

Exemplarische Darstellung der ESU-Randschlackenschicht

14


0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Umformgrad

Flie

ßsp

an

nu

ng

[M

Pa

]

700°C

Mn23C0.3 (I); 10 s-1

Mn23C0.6 (II); 10 s-1

AISI 304 (1.4301); 10 s-1

Detaillierte Ziele

Modellgestütztes Design seigerungs-

minimierender Prozessschlacken

(Randschalendicke, Wärmeleitfähigkeit)

Experimenteller Nachweis des Modells

durch Erzeugung technisch homogener

Proben

Aufzeigung der Übertragbarkeit der

Methode auf Multikomponentensysteme

Vorgehensweise/Methoden

Grundlagenuntersuchung zum Erstar-

rungsmechanismus der Randschlacke

Modell zur Verknüpfung von Schlacken-

zusammensetzung und -eigenschaften

B5

Ausbildung unterschiedlich dicker Randschlackenschichten


Links: Typische ESR-Schlacken; Rechts: Erstarrende Schlacke

15

Bandgießen

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Umformgrad

Flie

ßsp

an

nu

ng

[M

Pa

]

700°C

Mn23C0.3 (I); 10 s-1

Mn23C0.6 (II); 10 s-1

AISI 304 (1.4301); 10 s-1


Reduktion der Mikroseigerungslänge

durch rasche Erstarrung

Erhebliche Verkürzung der Prozesskette

zur Erzeugung von dünnem Warmband


Herstellung von Halbzeug für die

Charakterisierung und Weiterverarbeitung:

rascherstarrtes Gefüge

hohes Homogenisierungspotential

dünnes Warmband

Ermittlung der Potentiale einer Inline -

Wärmebehandlung zur Einstellung

definierter Gefüge

B6

Gussband geglüht

gewalzt

Gefügeentwicklung bei der Bandnachbehandlung von

Fe22Mn0,6C

Prinzipdarstellung des Bandgießprozesses


Schmelze

Band

Seitenplatte

Rolle

Tundish

Sumpf

:

1 - 3 mm

16

Bandgießen

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Umformgrad

Flie

ßsp

an

nu

ng

[M

Pa

]

700°C

Mn23C0.3 (I); 10 s-1

Mn23C0.6 (II); 10 s-1

AISI 304 (1.4301); 10 s-1

Eigene Vorarbeiten

Seit 1988 Betrieb einer vertikalen

Bandgießversuchsanlage gemeinsam mit

der ThyssenKrupp Steel AG

DFG-Projekt zum Dünnbandgießen von

HMS (Okt. 10 bis Sep. 12) soll in den SFB

integriert werden

Ergebnisse

Ein HMS (Fe22Mn0,6C) gegossen:

kurze Seigerungslänge bereits nach

dem Bandgießen

homogene Zusammensetzung über die

Banddicke und geringe Verzunderung

Prozessinstabilität durch Clogging, Angriff

des Feuerfestmaterials und schlechte

Bandkanten

B6

Primärgefüge des Gussbands Fe22Mn0,6C

ESMA-Messung der Mn-, C- Seigerungen

Angegriffene Seitenplatten und schlechte Bandkanten


C1

17

Bandgießen

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Umformgrad

Flie

ßsp

an

nu

ng

[M

Pa

]

700°C

Mn23C0.3 (I); 10 s-1

Mn23C0.6 (II); 10 s-1

AISI 304 (1.4301); 10 s-1

Detaillierte Ziele

Einfluss der Gießparameter auf die

Gefügeausbildung verschiedener HMS

Gefügeeinstellung durch inline Walzen

und inline Wärmebehandlung (TMB)

Erweiterung der Prozessmodelle durch

Abgleich mit Phasenfeldsimulation

Herstellung von dünnem Warmband für

die Weiterverarbeitung im SFB


Bandgießversuche

Inline Walzen und Wärmebehandlung

Modellierung und Simulation der Prozesse

und Gefügeentwicklung

B6

Laborgießanlage am IBF

Wickler

2. Kühlstrecke

1. Kühlstrecke Walzgerüst

Gießrollen


Neue 4-Zonen-Kühlstrecke am IBF mit Regelung

Regler

Bandeintritt

Bandaustritt

Zweistoff-

Düsen

Tein

Taus Taus Tein

18

Synthese und Charakterisierung

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Umformgrad

Flie

ßsp

an

nu

ng

[M

Pa

]

700°C

Mn23C0.3 (I); 10 s-1

Mn23C0.6 (II); 10 s-1

AISI 304 (1.4301); 10 s-1


Synthese und Charakterisierung von

chemisch reinen und phasenreinen

Referenzmaterialien

Unabhängige Validierung der ab initio

vorhergesagten Größen


Synthese von Referenzmaterial

seigerungsarm für B4/C1/C9

phasenrein für C7

definierte Orientierung für B4/C9

Charakterisierung

Validierung von Größen auf atomarer

Ebene für A1/A2

B7


Orthorhombische Zementitstruktur des Mn1.8Fe1.2C

mit ecken- und kantenverknüpften

kohlenstoffzentrierten trigonalen Prismen von

Metallatomen auf den Lagen 8d und 4c

19


Eigene Vorarbeiten

Synthese reiner pulverförmiger Mn-reicher

Zementitphasen

Röntgenographische Charakterisierung

(Rietveld-Verfahren)

Physikalische Charakterisierung

mittels SQUID-Magnetometrie

Ein- und Bikristallsynthese mittels der

Bridgman-Methode von metallischen

Eisenbasislegierungen

Ergebnisse

B7


Synthese / Charakterisierung Mn1.8Fe1.2C

Synthese Oligokristall Fe22Mn0,6C

Schematische Darstellung der Kristallzüchtung mittels der

Bridgman-Methode

TlTs

h

T

Ausgangs-

materialien

Zonen-

schmelzen

Kristallisation

synthetisierter Oligo-Kristall

20


Detaillierte Ziele

Synthese von phasenreinen

pulverförmigen und makroskopischen ein-

und bikristallinen Referenzproben

Gewinnung struktureller, magnetischer

und mittelbar energetischer Kenngrößen

mittels hochauflösender Röntgen- und

Neutronenbeugung


B7


Synthese chemisch und phasenreiner

Referenzproben

Charakterisierung der strukturellen

Eigenschaften

Charakterisierung der magnetischen

Eigenschaften

Simulation des spinpolarisierten Neutronenbeugungs-

diagramms der ab initio vorhergesagten ferrimagnetischen

Mn3C-Struktur

Ab initio wurde eine neue ferrimagnetische

Mn3C-Struktur vorhergesagt:

21

Erweiterung Bereich B: Reinheit, Homogenität, Fe-Mn-C-Al

Bereich B: Überblick

B1 B2 B4 B5 B6 B7

Gießen Umformung Wärme-

behandlung

ESU Bandgießen Synthese

Fortführung Erweiterung

Erweiterung und Verbesserung der

Modellierungsansätze

Erweiterung und Anpassung der

Technologie und Modelle an die

Fe-Mn-C-Al Legierungen

Erweiterung des Spektrums in Bezug auf

Reinheitsgrad/Seigerungen/Mikrostruktur

Referenzmaterial

< 100 g

An

teil

nic

htm

eta

llisch

er

Pa

rtik

el

Abkühlungsdauer bei Erstarrung in s

10-1 100 101 102 103 104

„Technische“ Legierungen bis 100 kg

Direktgegossenes

Band

B6 Gussblock

B1

ESU - Ingot

B5

Extrem

langsam

erstarrter Block

B1

Mikroingot

Chem. rein

B1

Hochrein,

Zonenziehen

B7

1000 g

Übersicht Projekte und Antragsteller im Projektbereich B

Dronskowski

Senk

B1

B2

Hirt

B4

B5

B6

B7

Bambach Hirt

Experimente zur Erstarrung

Warm- und Kaltumformprozesse

Wärmehandlung Referenzmaterialien

Molodov Barrales-Mora Sandlöbes

Friedrich

Elektroschlackeumschmelzen

Bandgießen

Bereich B: Überblick 22

Documents

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