SFB 761 ab Initioabinitio.iehk.rwth-aachen.de/sites/default/files/inline...Links: Dreistoffsystem...
Transcript of SFB 761 ab Initioabinitio.iehk.rwth-aachen.de/sites/default/files/inline...Links: Dreistoffsystem...
-
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.
Bereich B: Teilprojekt B1
*
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
Ergebnisse (Phase 1)
Seigerungen des Mangangehalts von über 8 Mass.-% auf 2
Mass.-% durch Schmieden, Glühen und Walzen reduziert
Bereich B: Teilprojekt 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
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
Ergebnisse (Phase 1)
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
Bereich B: Teilprojekt B2
Herstellung geeigneten Halbzeugs
Warmband
Kaltband (anstelle TP B3)
Werkstoff- und Prozessmodelle
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)
Werkstoff- und Prozessmodelle
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
Bereich B: Teilprojekt B2
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
Ergebnisse (Phase 1)
Bereich B: Teilprojekt 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
Bereich B: Teilprojekt 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
Ergebnisse (Phase 1)
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
Bereich B: Teilprojekt B4
-
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
Bereich B: Teilprojekt B5
-
13
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
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 B: Teilprojekt B5
Bereich bereits
entfernter Schlacke
Bereich anhaftender
Randschlacke
Exemplarische Darstellung der ESU-Randschlackenschicht
-
14
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
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
Bereich B: Teilprojekt B5
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
Motivation/Zielsetzung
Reduktion der Mikroseigerungslänge
durch rasche Erstarrung
Erhebliche Verkürzung der Prozesskette
zur Erzeugung von dünnem Warmband
Einordnung in den SFB
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
Bereich B: Teilprojekt B6
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
Bereich B: Teilprojekt B6
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
Vorgehensweise/Methoden
Bandgießversuche
Inline Walzen und Wärmebehandlung
Modellierung und Simulation der Prozesse
und Gefügeentwicklung
B6
Laborgießanlage am IBF
Wickler
2. Kühlstrecke
1. Kühlstrecke Walzgerüst
Gießrollen
Bereich B: Teilprojekt B6
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
Motivation/Zielsetzung
Synthese und Charakterisierung von
chemisch reinen und phasenreinen
Referenzmaterialien
Unabhängige Validierung der ab initio
vorhergesagten Größen
Einordnung in den SFB
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
Bereich B: Teilprojekt B7
Orthorhombische Zementitstruktur des Mn1.8Fe1.2C
mit ecken- und kantenverknüpften
kohlenstoffzentrierten trigonalen Prismen von
Metallatomen auf den Lagen 8d und 4c
-
19
Synthese und Charakterisierung
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
Bereich B: Teilprojekt 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
Synthese und Charakterisierung
Detaillierte Ziele
Synthese von phasenreinen
pulverförmigen und makroskopischen ein-
und bikristallinen Referenzproben
Gewinnung struktureller, magnetischer
und mittelbar energetischer Kenngrößen
mittels hochauflösender Röntgen- und
Neutronenbeugung
Vorgehensweise/Methoden
B7
Bereich B: Teilprojekt 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