SFB 761 St hl b i iti “SFB 761 „Stahl ab initio“
SFB 761 „Stahl ab initio“
Quantenmechanisch geführtes DesignQuantenmechanisch geführtes Design neuer Eisenbasis-Werkstoffe
Titel
Stahl ab initio
1. Motivation• Werkstoffentwicklung• Methodenentwicklung
2. Wissenschaftliches Konzept• Modellierung• Modellierung• Werkstoffherstellung• Evaluierung g
3. OrganisationP t• Partner
• Strukturelle Einbindung
2Gliederung
Stähle sind die bedeutendste metallische Werkstoffgruppe
TiM
NiMg
Cu
AlFe (ca 95 % der Weltproduktion)
Ni
Fe (ca. 95 % der Weltproduktion)
Weltweite Metallproduktion ca. 1.400 Mio t/a
3Werkstoffpyramide für metallische Werkstoffe
Anspruchsvolle Stähle werden in großen Mengen benötigt
100000,01Ti10000
0,2Ni-Basis
Ti
4000Ni Basis
2000 16Fe-Cr-Ni-Basis
1000800
350Fe-C-Basis500
350
350 Mio t/a
4
Werkstoffpyramide für anspruchsvolle Flachprodukte auf Fe-, Ni-, Ti - Basis
Fe-Basis-Legierungen sind anpassungsfähig und nachhaltig
Kosten• Legierung
Umwelt• Energieverbrauch• Materialverbrauch
g g• Fertigung• Nutzen Produktion
• Halbzeugfertigung
Werkstoffauswahl
Materialverbrauch• Recycling• Nachhaltigkeit
Halbzeugfertigung• Bauteilfertigung
für Karosserien
W k t ff i h ftKonstruktion• Oberflächengüte• Gestaltungsfreiheit
Werkstoffeigenschaften• Mechanische • Physikalische
• Gestaltungsfreiheit• Verfügbarkeit
• Technologische
5Anforderungen an Karosseriewerkstoffe
Fe-Basis-Legierungen sind anpassungsfähig und nachhaltig
Kosten• Legierung
Umwelt• Energieverbrauch• Materialverbrauch
g g• Fertigung• Nutzen Produktion
• Halbzeugfertigung
Werkstoffauswahl
Materialverbrauch• Recycling• Nachhaltigkeit
Halbzeugfertigung• BauteilfertigungZiele:
LeichtbauSicherheitfür Karosserien
W k t ff i h ft
SicherheitEnergieeffizienz
Konstruktion• Oberflächengüte• Gestaltungsfreiheit
Werkstoffeigenschaften• Mechanische • Physikalische
• Gestaltungsfreiheit• Verfügbarkeit
• Technologische
6Anforderungen an Karosseriewerkstoffe
Motivation und Entwicklungsprinzipien ändern sich
Stahlgruppe Jahr Entwicklungs-prinzip
Motivation
nichtrostende Stähle 1912
prinzip
empirischV2A
chemischeI d t i
mikrolegierte Stähle 1965V2A verfahrensgetriebenTM W l TEM
IndustrieErdöl- / Erdgas-i d t i
Mehrphasenstähle 1990TM-Walzen, TEMphänomenologischGefügedesign
industrieAutomobil-ind strie
Fe Mn C Legierung 2007
Gefügedesign,analytische Modelleab initio
industrie
LeichtbauFe-Mn-C-Legierung 2007 ab initioScale Hopping erkenntnisgetrieben
LeichtbauSicherheitEnergieeffizienz
7
erkenntnisgetrieben Energieeffizienz
Beispiele der Werkstoffentwicklung
Fe-Mn-C-Legierungen sind thermodynamisch geprägt
Stahlgruppe Parameter Verformungs-mechanismen
mikrolegierte Stähle• Korngröße
Kornform• homogene
Versetzungsgleitung
Mehrphasenstähle
• Kornform• Ausscheidungen
+
Versetzungsgleitung
+Mehrphasenstähle• lokale chemische
Zusammensetzung• inhomogene
Versetzungsgleitung
Fe-Mn-C-Legierung +Stapelfehlerenergie
+• Stapelfehlerenergie• Thermodynamik• Phasenstabilität
• TRIP -Effekt• TWIP-Effekt
8Parameter der Werkstoffentwicklung
Phasenstabilität
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
Nach der Verformung
Austenit
Vor der Verformung
Transformation Induced Plasticity (TRIP effect)
TWIP: Verformungsinduzierte Zwillingsbildung
Austenit
Nach der VerformungVor der Verformung
Twinning Induced Plasticity (TWIP effect)
9
Nach der VerformungVor der Verformung
Verformungsmechanismen in Metallen
Kontrollgröße: Stapelfehlerenergie
StapelfehlerStapelfehler
Partialversetzungen Zwilling
Die Stapelfehlerenergie in J/m2 ist ein Maß für die Häufigkeit von
Partialversetzungen Zwilling
Die Stapelfehlerenergie in J/m 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
Austenitische Mn-Stähle weisen gleichzeitighohe Umformbarkeit und hohe Festigkeit auf
AustenitischeMn-Stähle
SLIP
bark
eit
TWIP
TRIP
DSAaustenitischeC Ni Stähl
Um
form
b
ferritische,einphasige ferritische
Cr-Ni-Stähle
U Stähle Mehrphasenstähle
Festigkeit
11Eigenschaftsprofil von kaltumformbaren Stählen
Fe-Mn-C-Legierungen ermöglichen außerordentliche Eigenschaftskombinationen
rkei
tm
form
ba Fe-Mn-C
Um
1000
1200
ferritischeMehrphasen-tähl
Festigkeitng
in M
Pa 800
600 austenitische Cr-Ni-Stähle
stähleg
ferritische, einphasigeTiefziehstähle
Spa
nnun
400
200Tiefziehstähle
wahre Dehnung (1)0,10 0,2 0,3 0,4 0,5
0
12Charakteristische Fließkurven
Besonderheiten der Fe-Mn-C-Legierungen
• Fe-Mn-C-Legierungen stellen nach den krz Fe-C-Stählen undd kf F C Ni Stähl t i ll i M t i füden kfz Fe-Cr-Ni-Stählen potenziell eine neue Matrix fürEisen-Basis-Werkstoffe dar.
• Fe-Mn-C-Legierungen sind für die geplante neuemethodische Vorgehensweise besonders geeignet.
• In einer Legierungsgruppe stehen alle bisher genutztenVerformungsmechanismen zur Verfügung.
• Wegen der großen Bedeutung der Stapelfehlerenergie istdieses Legierungskonzept besonders geeignet für einethermodynamische Modellierungthermodynamische Modellierung.
13Gründe für die Wahl des Legierungssystems
Modellierungsansätze auf unterschiedlichen Ebenen werden gezielt eingesetzt
“Scale-Hopping” Ansatz:⇒ Effiziente Entwicklung neuer Stähle und Prozesse;
Konzentration auf die KernmechanismenKonzentration 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
g
Atomare Skala:z.B. Berechnung der Stapelfehlerenergie
14Modellierungswerkszeuge
Quantenmechanisch geführtes Materialdesign
Schrödinger-Gleichung: HΨ = EΨVielteilchenwellenfunktion
für Atom-Elektron-Vielteilchensystem
Vielteilchenwellenfunktion Gesamtenergie Hamilton-Operator mit W h l i k tWechselwirkungstermen
Atome
15Motivation Methodenentwicklung
Die Dichtefunktionaltheorie ermöglicht numerisch beherrschbare ab initio Ansätze
Schrödinger-Gleichung: HΨ = EΨ für Atom-Elektron-Vielteilchensystem
Vielteilchenwellenfunktion
Kristalle
VielteilchenwellenfunktionGesamtenergie Hamilton-Operator mit W h l i kKristalle Wechselwirkungstermen
Dichtefunktionaltheorie• universeller Ansatz • keine empirischen Annahmen• keine Anpassung an
Experimente
16
Experimente
Motivation Methodenentwicklung
ab initio Ansätze behandeln technisch interessante LegierungssystemeParameterfreieBestimmung:
Elektronenstruktur / chemische BindungAtomkonfigurationen / KristallstrukturenElastische EigenschaftenElastische EigenschaftenEnergetik und Dynamik von DefektenMagnetische Ordnung
γ-Eisen α-Eisen
17Motivation Methodenentwicklung
Entwicklungsstand ab initio
Methoden-Entwicklung:
2005Multiphysik-Simulationen- ab initio Thermodynamik- ab initio Kinetik
b i iti K ti th i 102-105 Atome2000
1995
- ab initio Kontinuumstheorie
- Pseudopotentiale (US, PAW)(Protected augmented wave)
10 10 Atome
1995
1990
(Protected augmented wave)- Populationsanalysen (COHP)- Car-Parrinello-Methode (CP)
All El kt C d (FLAPW) 10 102 Atome1985
- All-Elektronen-Codes (FLAPW)- neue DFT-Funktionale (GGA)- Coupled-Cluster-Methode (CC)
10-102 Atome
vor1980 Dichtefunktionaltheorie (DFT)
(Hohenberg-Kohn, Kohn-Sham) 1-10 Atome
18Motivation: Methodenentwicklung
Lange Entwicklungszeiten sollen verkürzt werden
2010TRIP für TWIP Stahl
1995Strukturbauteile
Prototyp
TWIP Stahl TWIP-Effekt
TRIP Fe-C
1980 TRIP Fe-Cr-Ni
1950 1950 TRIP-Effekt
1900
1920 Fe-Ni
Industrielle FertigungPilot-FertigungForschung
1900 1882 HadfieldFe-Mn
19
Industrielle FertigungPilot FertigungForschung
Motivation: Werkstoffentwicklung
SFB ab initio - Gesamtziel
E t i kl i th di h V h i• Entwicklung einer methodischen Vorgehensweise zurWerkstoff- und Prozessentwicklung basierend aufab initio Ansätzenab initio Ansätzen.
• Werkstoff-Design einer neuen Klasse von Struktur-werkstoffen.
Beschle nig ng der Ent ickl ngs eit nd Red ier ng• Beschleunigung der Entwicklungszeit und Reduzierungdes Aufwandes bei der Werkstoffentwicklung durch„Scale-Hopping".„Scale Hopping .
20Ziele des geplanten SFB
Es werden konkrete theoretische und experimentelle Ergebnisse erwartet
• Experimentelle Darstellung und Charakterisierung von Werkstoffenmit Fe-Mn-C-Matrixmit Fe-Mn-C-Matrix.
• Nutzung der ab initio Methoden für die Vorhersage vonPhasenübergängen und Mechanismenwechsel.g g
• Quantifizierung des Einflusses von chemischer Zusammen-setzung, Temperatur und weiterer Parameter auf dieV f i h iVerfestigungsmechanismen.
• Umfassende Charakterisierung einer neuen Werkstoffgruppe fürverschiedene Einsatzgebieteverschiedene Einsatzgebiete.
• Empfehlungen für die Herstellparameter auf existierenden oderneuen Prozessrouten
• Weiterentwicklung und Validierung der voraussetzungsfreienMethoden für Modellsysteme und Werkstoffe.
21Ergebnisse nach 4 und 8-12 Jahren
Stahl ab initio
1. Motivation• Werkstoffentwicklung• Methodenentwicklung
2. Wissenschaftliches Konzept• Modellierung• Modellierung• Werkstoffherstellung• Evaluierung g
3. OrganisationP t• Partner
• Strukturelle Einbindung
22Gliederung
Schritte der Werkstoffentwicklung
26 55,85
Fe7,87 1808
23Wissenschaftliches Konzept
Skalen der Modellierung
σ
ε
σ
24Wissenschaftliches Konzept
Neuer Ansatz: Parallelität von Werkstoffentwicklung und Modellierung
σ
ε
26 55,85
Fe7,87 1808
25Wissenschaftliches Konzept
Theorie der metallkundlichen GrundlagenA
ε
σ
ε
26Wissenschaftliches Konzept
Theorie der metallkundlichen GrundlagenA
ε
σ
• Selektive Modellierung
• „Scale Hopping“
• Begleitende EvaluationBegleitende Evaluation
27Methodik im Projektbereich A
Prozessentwicklung und ProbenherstellungB
2626 55,85
Fe7,87 1808
28Wissenschaftliches Konzept
Prozessentwicklung und ProbenherstellungB
• Werkstoffsynthese
• Modellierung kritischer Teilschritte
• Validierung
2626 55,85
Fe7,87 1808
29Methodik im Projektbereich B
Prüfmethodik und EvaluationC
σ
ε
σ
30Wissenschaftliches Konzept
Prüfmethodik und EvaluationC
• Umfassende Werkstoff-evaluation
• Entwicklung neuer Prüfmethoden
• Korrelation:- Mikrostruktur- Verformungs-mechanismenEi h ftσ - Eigenschaften
ε
σ
31Methodik im Projektbereich C
Die Stapelfehlerenergie als verbindendes Element der Projektbereiche
σ Beispiel fürVernetzung:
ε
Stapelfehlerenergie
26 55,85
Fe7,87 1808
32Wissenschaftliches Konzept
Stahl ab initio
1. Motivation• Werkstoffentwicklung• Methodenentwicklung
2. Wissenschaftliches Konzept• Modellierung• Modellierung• Werkstoffherstellung• Evaluierung g
3. OrganisationP t• Partner
• Strukturelle Einbindung
33Gliederung
Sprecher und Verantwortlichkeiten
SprecherProf W Bleck (RWTH)
stellv. Sprecher
Prof. W. Bleck (RWTH)
stellv. SprecherProf. D. Raabe (MPIE)
A: THEORIE B: PROZESSE C: EVALUATION
Sprecher der Projektbereiche
Prof. Hirt (RWTH)Prof. Dronskowski (RWTH) Prof Pyzalla (MPIE)
34
Prof. Hirt (RWTH)Prof. Dronskowski (RWTH) Prof. Pyzalla (MPIE)
Organisation
RWTH: 13 Teilprojekte – MPIE: 4 Teilprojekte
SenkErstarrung
Dronskowski:ab initioQuantenchemie
MayerMikrostruktuanalytikA1 B1 C1
HirtWarmumformung
ErstarrungQuantenchemie MikrostruktuanalytikNeugebauer/Hickel:
ab initio ThermodynamikA2 B2 Bleck: Verformungs-mechanismenC2
HirtKaltumformung
Molodov / Gottstein
Schneider / HallstedtThermodynamik
Emmerich
A3 B2 Schneider / Musiclok. mech. Eigensch.C3
Raabe / ZaeffererMolodov / GottsteinWärmebehandlung
EmmerichPhasenfeldsimulation
Bleck
A4
A5
B2 Raabe / ZaeffererTextur & AnisotropieC4
Pyzalla / PintoC5MechanismenkarteGottstein / Mohles
Grenzflächen
A5
A6
Defekte & SpannungenC5
PrahlSchädigung VersagenC6Grenzflächen
Roters / WinningMikrostrukturmechanikA7
Schädigung Versagen
RWTH MPIE
35Gliederung in Teilprojekte
RWTH – MPIE ergänzen sich bezüglich fachlicher Ausrichtung und Methoden
MethodenMethoden• Abbildung der Prozesskette• Prüfmethoden
MethodenMethoden• 3-D Orientierungsanalyse• Synchroton-Strahlung
• ab initio – Methoden Spezialwissen
• ab initio – MethodenSpezialwissen
(Bindungsanalyse)• Prozess-Simulation• Werkstoff-Entwicklung
(T > 0 K)• Kristallplastizität• Fe-Mn-Stähle
erprobte Zusammenarbeit RWTH - MPIE
g
erprobte Zusammenarbeit RWTH MPIE• gemeinsame F&E – Projekte, Habilitationen, Promotionen
36Gründe für die Zusammenarbeit RWTH - MPIE
Der SFB unterstützt die geplanten strukturellen Maßnahmen an der RWTH
Werkstoff-Forum57 beteiligte Professoren
Förderung von Profilbereichen
57 beteiligte Professoren
Identifizierung und Förderung von Future Growth Areas durch Einrichtung fakultätsübergreifender ZentrenEinrichtung fakultätsübergreifender Zentren
CCES Center for Computational Engineering Science
CCC Computational
Stärkung und Profilierung der Naturwissenschaften
g g
CCC Computational Chemistry Coalition
Kooperation mit externen Partnern
1990 200520032000 2006
ER-C Ernst Ruska Zentrum für Elektronenmikroskopie
37
1990 200520032000 2006
Einbindung in die Struktur der RWTH
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
Pflicht und Wahlfächer für Ingenieureund Naturwissenschaftler
AICES Aachen Institute of Computational Engineering Science
Graduiertenschule / Exzellenzinitiative
GRS German Research SchoolSimulation Science
Kooperation Forschungszentrum Jülichund RWTH
38Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses
Der SFB wird eingebettet in ein bereits existierendes wissenschaftliches Umfeld
• Summer School IDEA 2005, 2006, 200 (IMM)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, 2008M d lli i d F tkö d• Modellierung in der Festkörper- undMaterialchemie RWTH 2006
• jährliches Aachener Stahl Kolloquium RWTH • DGM FA Computersimulation MPIE• TRIP-Workshop NIMR/RWTH 2007
39Wissenschaftliches Programm
Stellen und Investitionen
Grundausstattung Ergänzung34 WM21 NWM
17 WM8,5 NWM
Die Techniker nehmen vor allem Aufgaben bei der Werkstoffherstellungund der Werkstoffprüfung wahr; sie werden zudem eingesetzt bei derp g ; gEntwicklung von neuen Prüfmethoden.
Beispiele für Investitionen: • Beherrschung des Mangan-Dampfdrucks beim Vakuum-
SchmelzenSchmelzen• On-line Gefügemonitoring mittels Weißlicht-Konfokal-
Mikroskopie
40Beantragte Ergänzungsausstattung
Beispiele für Investitionen
Vakuum-Metallurgie
Weißlicht-Konfokal-MikroskopieTRIP-Stahl
Vakuum Metallurgie
Restaustenit ~13%Martensit ~21%
Ferrit ~ 20%Ferrit ~18% • Mn-Dampfdruck-KondensatorFerrit ~28%Ferrit 18% Mn Dampfdruck Kondensator
• H2-Messung• Rezipient / Manipulator
für Vakuumprobenahme
41Beantragte Ergänzungsausstattung
p
Mitglieder des SFB mit Teilprojekt-Verantwortung
42Fotos der Antragsteller
43SFB-Team
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