Fein-strukturierte, Austenitisch-Martensitische Fe-Mn-C Legierungen

Motivation

In diesem Projekt werden in Zusammenarbeit mit unseren Kollegen aus der Gruppe von Prof. Tsuji an der Kyoto University sogenannte AHSS (engl. advanced high strength steels) untersucht. Bei AHSS handelt es sich um eine Gruppe von neuartigen Stählen, die bemerkenswerte Festigkeit bei gleichzeitig guter Duktilität sowie Umformbarkeit aufweisen. Übergreifendes Ziel unserer Aktivitäten zu AHSS ist es, die Kombination aus Festigkeit und Duktilität noch weiter zu steigern.

Bei den zu untersuchenden Legierungen handelt es sich um eutektoide, bzw. nah-eutektoide Legierungen innerhalb des Fe-Mn-C Systems. Das herausragende Eigenschaftsprofil wird hier durch ein neuartiges feinstrukturiertes Gefüge bestehend aus Martensit und metastabilem Austenit erreicht. Hierfür wird zunächst ein vollständig perlitisches Gefüge eingestellt. Mn löst sich jeweils in Ferrit und Zementit substitutionell, allerdings ist das Löslichkeitsvermögen im Zementit deutlich höher. Dementsprechend bildet sich ein lamellen- und faserartiges Mn-Konzentrationsprofil aus, bei dem in Zementitlamellen eine Mn-Anreicherung und in Ferritlamellen eine Mn-Verarmung auftritt.

Im Anschluss an die Perlitbildung wird eine Kurzzeitaustenitisierung durchgeführt. Nach der vollständigen Phasenumwandlung zum Austenit liegt, aufgrund der langsamen Diffusion des Mn, noch immer eine lamellare bzw. faserförmige Mn-Verteilung innerhalb der ursprünglich perlitischen Kolonien vor. Wird die Probe in diesem Zustand abgeschreckt, liegt anschließend ein Gefüge aus Austenit und Martensit mit vergleichbarer Anordnung und Morphologie zum vorherigen Perlit vor, da Mn Austenit-stabilisierend wirkt und die Martensitumwandlung in den Mn-angereicherten Bereichen stark verzögert.

Ziele

Im Rahmen des Projektes sollen folgende Forschungsfragen adressiert und beantwortet werden:

1. Wo liegen die Grenzen der Synthese von fein-strukturierten Austenit-Martensit-Gefügen im Fe-Mn-C-System in Bezug auf die Verteilung der gelösten Elemente im Perlit, den Volumenanteil der beteiligten Phasen, die Lamellen- bzw. Mikrostrukturgrößen sowie die Defektdichte?
2. Können die grundlegenden Grenzen durch die Anwendung von Kenntnissen über Grenzflächeneigenschaften wie Orientierungsbeziehungen (im Perlit und im umgewandelten Gefüge), Morphologiemanipulation (z.B. Sphärodisierung der Lamellen), Anpassung der Konzentrationsprofile an den Grenzflächen und den Fortschritt der martensitischen Umwandlung überwunden werden?
3. Welchen Einfluss haben grundsätzliche Veränderungen des Gefüges auf die erzielten quasistatischen, mechanischen Eigenschaften, wie Festigkeit, Duktilität und Verfestigung?

Untersuchungen

• Legierungsdesign mittels Thermo-Calc Software
• Materialsynthese mittels Lichtbogenofen
• Parameterstudie zu Perlitbildung sowie KZA
• Gefügecharakterisierung mittels SEM, TEM und APT
• Bestimmung mechanischer Kennwerte in Zug- und Druckbelastung

Förderung

Landesgraduiertenförderung