Elastic and plastic properties of fcc Fe-Mn based alloys

  • Elastische und plastische Eigenschaften von kfz Fe-Mn basierten Legierungen

Reeh, Stephanie; Schneider, Jochen (Thesis advisor)

Aachen : Shaker (2013, 2014)
Doktorarbeit

In: Materials chemistry dissertation 2013,22
Seite(n)/Artikel-Nr.: XXXI, 80 S. : Ill., graph. Darst.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Kurzfassung

Hochmanganhaltige Stähle weisen eine exzellente Kombination von hoher Festigkeit und außergewöhnlicher Duktilität auf, die diese Stähle als Leichtbaustähle mit fortge¬schrittener Crashresistenz und hoher Umformbarkeit für die Automobilindustrie interessant machen. Diese Eigenschaftskombination wird durch verschiedene Verformungsmechanismen wie Versetzungsgleiten, verformungsinduzierte Austenit-Martensitumwandlung und mechanisch induzierte Zwillingsbildung ermöglicht. Diese Mechanismen werden insbesondere durch die Stapelfehlerenergie beeinflusst, die von Temperatur und chemischer Zusammensetzung abhängig ist. Der Einfluss der chemischen Zusammensetzung auf die elastischen Eigenschaften von kfz Fe-Mn-Legierungen mit Zugabe von C, Al, Cr, Co, Ni und Cu wurde mittels kombinatorischer Dünnschichtsynthese und ab initio-Berechnungen untersucht. Der Einfluss des C- und Mn-Gehalts auf den E-Modul von Fe-Mn-C-Legierungen wurde experimentell und theoretisch ermittelt. Sowohl kombinatorische Dünnschichten als auch Großproben wurden hinsichtlich ihrer Struktur, Textur und E-Modul charakterisiert. Der experimentelle Gitterparameter änderte sich mit Zugabe von C nur gering zwischen 3.597 zu 3.614 Å. Der E-Modul variierte für die Großproben sowie für die Dünnschichten in einem Bereich von 185 ± 12 bis 251 ± 59 GPa. C hat keinen signifikanten Einfluss auf den E-Modul dieser Legierungen in dem hier untersuchten chemischen Zusammensetzungsbereich. Der Einfluss des Al-Gehalts auf die elastischen Eigenschaften in Fe-Mn-Legierungen wurde anhand kombinatorischer Fe-Mn-Al-Dünnschichten mit unterschiedlichen Substrat-Bias-Potentialen untersucht, um den Effekt auf die Phasenbildung, Gefüge, Textur und elastischen Eigenschaften zu analysieren. Mit höheren Substrat-Bias-Potentialen (-75 V und -100 V) wurde eine feine polykristalline Struktur mit gamma-Fe, alpha-Fe und beta-Mn Phasen erzielt, während bei geringeren Potentialen (kleiner als -50 V) die gamma-Fe Phase mit einer Vorzugsorientierung in Wachstumsrichtung <111> prominent war. Die Gleichgewichtsphasen wurden mittels der Calphad-Methode berechnet und waren konsistent mit den experimentell bestimmten Phasen. Mit Zugabe von 0 bis 20 at.-% Al in der Fe-Mn-Matrix vergrößert sich das Gitter von 3.614 auf 3.672 Å. Dies ist konsistent für Berechnungen und Experimente. Weder der Al-Gehalt noch das Substrat-Bias-Potential haben einen signifikanten Einfluss auf den E-Modul. Ab initio-Berechnungen wurden durchgeführt, um den Gitterparameter, das B/G-Verhältnis und den E-Modul von kfz Fe-Mn-X (X = Cr, Co, Ni, Cu) zu prognostizieren. Kombinatorische Dünnschichten wurden synthetisiert und anhand der chemischen Zusammensetzung, Struktur und elastischen Eigenschaften analysiert, um die Prognosen zu verifizieren. Mit Zugabe des Elements X in Fe-Mn-Legierungen werden der Gitterparameter und der E-Modul nur gering beeinflusst. Die Prognosen und die experimentellen Daten stimmen exzellent überein. Zugaben von Cr und Co scheinen keinen wesentlichen Effekt auf B/G zu zeigen, während mit Zugaben von Cu und Ni B/G mit bis zu 19.2% für Cu bzw. 11.6% für Ni steigt. Dieser Trend könnte durch die Änderungen des Schermoduls, welche durch die Variation der Valenzelektronenkonzentration (VEC) induziert wird, verstanden werden. Mit steigender VEC entstehen stärker ausgeprägte metallische Bindungen, die einen geringeren Schermodul hervorrufen. Der Einfluss der chemischen Zusammensetzung auf die plastischen Eigenschaften für ausgewählte kfz Fe-Mn-C-Al-Legierungen mit unterschiedlichen Al-Gehalten wurde mittels Nanoindentation untersucht. Großproben wurden elektrochemisch poliert und lokal in ihrer chemischen Zusammensetzung, mechanischen Eigenschaften und Topographie analysiert. Basierend auf den Last-Eindringtiefen-Daten der Indentationen wurden Spannungs-Dehnungs-Kurven bestimmt. Die Kurven zeigen eine Streuung mit einer maximalen Abweichung von 0.680 GPa in der Spannung und von 0.004 in der Dehnung. Mit steigendem Al-Gehalt wurde ein geringeres Fließen beobachtet, welches sich durch eine schwächere dynamische Hall-Petch-Verfestigung erklären ließe. Die Probe mit höherem Al-Gehalt zeigt ein ausgeprägtes Pile-up-Verhalten im Vergleich zur Probe mit geringerer Al-Konzentration. Die bezüglich der Phasenbildung, des Gitterparameters und des E-Moduls experimentell ermittelten Ergebnisse und die mittels ab initio-Methode berechneten Ergebnisse weisen eine ausgezeichnete Übereinstimmung auf. Dieser auf Experimenten und Berechnungen beruhende Ansatz ist eine nützliche Strategie für zukünftiges Design von vielkomponentigen hochmanganhaltigen Stählen. Darüber hinaus ist die Verwendung der Nanoindentation zur Untersuchung der lokalen plastischen Eigenschaften von hochmanganhaltigen Stählen eine potente Methode, um das Deformationsverhalten, besonders in Kombination mit Untersuchungen des Gefüges und Struktur, zu beschreiben.

Einrichtungen

  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
  • Lehrstuhl für Werkstoffchemie [521110]

Identifikationsnummern