Stahl – Quantenmechanisch geführtes Design neuer Eisenbasis...

Interface Engineering Christina Scheu

Sonderforschungsbereich

SFB 761 Stahl – ab initio

Quantenmechanisch geführtes Design neuer Eisenbasis-Werkstoffe

Titel der Präsentation Name der/des Vortragenden

Ziele

Hoch Mn Stähle (HMnS): Heterophasengrenzflächen Austenit – κ-Phase

Mittel Mn Stähle (MMnS): Heterophasengrenzflächen Austenit/Martensit/Ferrit

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

Con

centratio

n [at.%

]

D is tance [nm]

AlC

Ni

Mn

20 nm

Mn Ni Al C

2 von 13 Interface Engineering Christina Scheu

M. Beigmohamadi, GFE, RWTH Aachen (2014) D. Raabe et al. Acta Mater. 61 (2013)

Bestimmung des Einflusses der Grenzflächen auf Eigenschaften der Einzelphasen und des Mehrphasengefüges


Mehrphasengefüge MMnS: Martensit/Austenit

Interface Engineering Prof. Christina Scheu

α‘-Martensit/γ-Austenit Gefüge

C10


B1 C1

M-M. Wang, C. C. Tasan, D. Ponge, A. Kostka, D. Raabe, Acta Mater 79, 268-281 (2014)


Grenzflächenphänomene

Heterophasengrenzflächen Martensit/Austenit in MMnS

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

Conce

ntratio

n [at.%]

D is tance [nm]

AlC

Ni

Mn

20 nm

Mn in Austenit

Mn in Martensit

Mn Ni Al C Iso-Konz. 10 at.%Ni 18 at.%Mn


C3 C8


A1 A2

D. Raabe et al. Acta Mater. 61 (2013)

•  Einfluss Mn Gehalt bzw. weiterer Legierungselemente (Al, C)?

•  Segregation, Verarmungszonen?

•  Einfluss Wärmebehandlung?


Heterophasengrenzflächen γ-Austenit – α-Ferrit in MMnS

Transformationskinetik an Grenzflächen

Austenit

Ferrit

Grenzfläche [110]fcc// [001]bcc

[110]bcc [111]fcc

Wie wirken sich Kohärenzspannungen auf Phasenumwandlungen aus?

d220= 0.130 nm



A2 C3

d002= 0.143 nm

Nishiyama-Wassermann Orientierungsbeziehung

Spannung


Transformationskinetik Ferrit/Austenit

Austenit

Grenzfläche

[110]fcc// [001]bcc

[110]bcc [111]fcc

Ferrit

Umwandlung Ferrit → Zwischenphase → Austenit


A2


C3

Reaktionskoordinate

Ene

rgie

(meV

/Ato

m)

Effekt der Verspannung •  Reduktion der Energiebarriere

•  Stabilitätssteigerung der Zwischenphase

X. Zhang, T. Hickel, J. Rogal, S. Fähler, R. Drautz, and J. Neugebauer, Phys. Rev. Lett., submittted (2014)

NEB: Nudged Elastic Band Method SSNEB: Solid-State Nudged Elastic Band Method



Mikro-/Mesoskala: Mikromechanik an Grenzflächen

Transfer Absorption und Emission

Reflektion

Mikromechanik •  Orientierungsbeziehung? •  Versetzungsinteraktion? •  Spannungsverteilung?

FCC BCC

Absorption


A7 A10

S. Sandlöbes, MPIE Düsseldorf (2014)


D. Raabe et al. Acta Mater. 61 (2013)

8 von 13

Ziele

Hoch Mn Stähle (HMnS): Heterophasengrenzflächen Austenit – κ-Phase

Mittel Mn Stähle (MMnS): Heterophasengrenzflächen Austenit/Martensit/Ferrit

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

Con

centratio

n [at.%

]

D is tance [nm]

AlC

Ni

Mn

20 nm

Mn Ni Al C


M. Beigmohamadi, GFE, RWTH Aachen (2014)

Bestimmung des Einflusses der Grenzflächen auf Eigenschaften der Einzelphasen und des Mehrphasengefüges


Grenzflächenphänomene in HMnS κ-Phase in Austenit

•  Wie wirken sich die Spannungen bedingt durch die Gitterfehlpassung aus?

•  Besitzt κ-Phase in Austenit-Matrix ferromagnetische Eigenschaften?

•  Wie sieht die Struktur der Grenzfläche aus?

•  Wechselwirkung mit Versetzungen?

•  Grenzflächenstabilität unter mechanischer Last?


C10 B4 A10 C8

Daten C1

κ κ

κ

κ

κ

κκ

T κ T T

T T T

T T

T T T T T T T T T T T T T T

T T T T T

T T T T T MBIP Effekt

MBIP – Microband induced plasticity

A5


Vorgehensweise auf atomarer Skala

•  Analyse der chemischen Zusammensetzung im κ-Karbid und an Grenzfläche zur Matrix

•  Analyse der strukturellen Anordnung und chemischen Bindung an der Grenzfläche

•  Vergleich mit ab initio Berechnungen

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Grenzflächenphänomene in HMnS κ-Karbide in Austenit

•  Einfluss Mn Gehalt bzw. weiterer Legierungselemente (Al, C)?

•  Einfluss Wärmebehandlung?

•  Vergleich Karbide im Korn und an Korngrenze?

•  Kohärenzgrad?


Daten C1, C8

C10 B4 A10 C8 A5


Kohärenzzustand

Kohärent? semi-kohärent? Inkohärent?

γ semikohärent = γch + γst Energie: 200 -500 mJ/m²

γ kohärent = γch

Energie: 1 - 200 mJ/m²

γ inkohärent Energie: 500 -1000 mJ / m²

Segregationsverhalten? Stabilität der Grenzfläche? Plastizität? Bruchverhalten?



Bilder aus: D.A. Porter und K.E. Easterling (1992)


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Skalenübergreifend: Theorie von ab initio zu Kontinuumsmodellierung, Experiment von atomarer Auflösung bis µm - mm Skala

Ab initio Berechnungen Mikromechanik

Kontinuumsphasenfeld- Modellierung

Kristallplastizitäts-Modellierung

Vorhersage der Eigenschaften mehrphasiger Gefüge


Charakterisierung

Von Mises Strain

Interface Engineering

Pyuck-Pa Choi, Richard Dronskowski, Bengt Hallstedt, Michael Herbig, Tillmann Hickel, Joachim Mayer, Jaber Mianroodi, Maryam Beig Mohamadi, Denis Music, Jörg Neugebauer, Dirk Ponge, Dierk Raabe, Franz Roters, Stefanie Sandlöbes, Christina Scheu, Dieter Senk, Robert Spatscheck, Bob Svendsen

Sonderforschungsbereich

SFB 761 Stahl – ab initio

Quantenmechanisch geführtes Design neuer Eisenbasis-Werkstoffe

Vielen Dank, wir stehen für Ihre Fragen zur Verfügung

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