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Gesamtvorstellung des SFB 761 Wolfgang Bleck

Sonderforschungsbereich

SFB 761 Stahl – ab initio

Quantenmechanisch geführtes Design neuer Eisenbasis-Werkstoffe





Grau, teurer Freund, ist alle Theorie, und Grün des Lebens goldner Baum. J. W. Goethe: Faust I


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Entscheidungssituation und Methoden der Werkstoffentwicklung

hoch

niedrig

Risiko Reifegrad

HSLA AHSS HMnS

Industrielle Umsetzung 2010 1990 1970

Modellbildung 2000 1990 1980

Werkstoff; Zeit

HSLA: High Strength Low Alloy AHSS: Advanced High Strength Steels HMnS: High Manganese Steels


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Gliederung

•  Ziele

•  Ergebnisse

•  Struktur

•  Dokumentation

•  Wirkung


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Ziele und Schwerpunkte Die allgemeinen Ziele des SFB sind: §  Entwicklung von Methoden zur Werkstoff- und Prozessentwicklung für

metallische Werkstoffe basierend auf ab initio Ansätzen §  Design einer neuen Klasse von Strukturwerkstoffen mit einer außer-

gewöhnlichen Kombination von Festigkeit und Umformbarkeit §  Reduzierung des Aufwandes durch wissensbasierte Vorgehensweise

bei der Werkstoffentwicklung

à Neue Methoden zur Entwicklung von Strukturwerkstoffen

Die Schwerpunkte des SFB in den Phasen I und II waren: I Methodenentwicklung II Spezielle Anwendung (TWIP)

Jetzt beantragt: Evaluation und allgemeine Anwendung TWIP: twinning induced plasticity


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Verformungsmechanismen in hoch Mangan Stählen

γ

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 Transformation

during deformation

Twinning during

deformation

Dislocation generation and

reactions

Dislocation channels by intermetallics

SLIP TRIP TWIP MBIP

SLIP: Dislocation slip TRIP: transfomation induced plasticity TWIP: twinning induced plasticity MBIP: Microband induced plasticity

T T T T T T T


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Gliederung

•  Ziele

•  Ergebnisse

•  Struktur


•  Wirkung


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Verformungsmechanismen I - Methodenentwicklung

SFE-Konzept 2007 2D-Mechanismenkarte 2011

Kohlenstoffgehalt

Man

gang

ehal

t

TRIP: transfomation induced plasticity TWIP: twinning induced plasticity α‘ –Martensit ε – Martensit SFE: Stapelfehlerenergie

A. Saeed-Akbari, L. Mosecker, A. Schwedt, W. Bleck: Metall. Mater. Trans. A, 43A (2012) 1688-1704


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Verformungsmechanismen II - Methodenentwicklung SFE-Konzept 2007

2D-Mechanismenkarte 2011 3D-Mechanismenkarte 2014

TRIP: transfomation induced plasticity TWIP: twinning induced plasticity MBIP: MicroBand Induced Plasticity

W. Song, T. Ingendahl, W. Bleck: Acta Metall. Sin. (Engl. Lett.), 27 (2014) 3 546-556

A. Saeed-Akbari, L. Mosecker, A. Schwedt, W. Bleck: Metall. Mater. Trans. A, 43A (2012) 1688-1704


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Zwillingsgrenzen I – Neue Beobachtungen

HR-TEM Zwilling - schematisch

HR-TEM: High Resolution - Transmission Electron Microscopy

m

m: Spiegelebene


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Zwillingsgrenzen II – Neue Beobachtungen

HR-TEM Zwilling - schematisch

HR-TEM: High Resolution - Transmission Electron Microscopy

m

m: Spiegelebene


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Zwillingsgrenzen III – und deren Deutung

HR-TEM

Struktur

ab initio – Berechnung der Atompositionen

FM Ordnung

NM: Nicht Magnetischer Zustand FM: FerroMagnetismus AFM: AntiFerroMagnetismus PM: ParaMagnetismus HR-TEM: High Resolution - Transmission Electron Microscopy


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Fertigung I - Prozessentwicklung

Blockguss-Route (2011)

Bandguss-Route (2014)

2 mm

Schmieden Warmwalzen Homogenisieren

100 kg

Gussband 2,4 mm

Warmband 2 mm

n  Warmband über 2 Prozessrouten o  Bandbreite : 150 - 200 mm o  Banddicke: ~ 2 mm

Kaltband

M. Daamen, O. Güvenç, M. Bambach, G. Hirt: CIRP Annals - Manufacturing Technology 63 (2014) 265–268.


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1. Phase HMnS Austenit TRIP, TWIP

à Mechanismen

Fertigung II – Werkstoffe, Bauteile

2. Phase HMnS Austenit TRIP, TWIP HMnS + Al Austenit + κ-Phase TRIP, TWIP, MBIP à Mechanismen, Grenzfläche

3. Phase HMnS Austenit TRIP, TWIP HMnS + Al Austenit + κ-Phase TRIP, TWIP, MBIP MMnS Austenit + Ferrit (Martensit oder Bainit) àMechanismen, Grenzflächen, Mikrostruktur

erste Anwendungen

TWIP-Material Quelle: FIAT – Nuovo Panda

Werkstoffauswahl 1., 2. und 3. Antragsphase Demo-Bauteil: Crashbox

O. Güvenç, F. Roters, T. Hickel, M. Bambach: JOM 67 (2015)


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Lösungsenthalpie von C in Fe-Mn-Oktaedern

Eigenschaften I

Stahlbezeichnung DIN EN 10027-1 und -2: TWIP: X60Mn18 TWIP Al: X60MnAl17-1 Edelstahl: X5CrNi18-10

Fe Mn

X5CrNi18-10

X60MnAl17-1

X60Mn18

Fließkurven

TWIP

TWIP Al

Edelstahl


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Rechenansatz Streckgrenze:

X5CrNi18-10

X60MnAl17-1

X60Mn18

Eigenschaften II – neue Ergebnisinterpretation

Mischkristallverfestigung σy (MPa) = 228 + 187(wt%C) - 2(wt%Mn) O. Bouaziz, H. Zurob, B. Chehab, J. D. Embury, S. Allain, M. Huang: Materials Science and Technology 27 (2011) 707-709.

Stahlbezeichnung DIN EN 10027-1 und -2: TWIP: X60Mn18 TWIP Al: X60MnAl17-1 Edelstahl: X5CrNi18-10

Fließkurven

TWIP

TWIP Al

Edelstahl Nahordnung + Gefüge σSRO =M τSRO = M (Erandom – ESRO) / b3

σy (MPa) = 90 + σSRO + 11,3 d-1/2

J.-H. Kang: T. Ingendahl, J. von Appen, R. Dronskowski, W. Bleck: Materials Science and Engineering A (2014) 122-128


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Charakterisierung – quantitative Analyse auf der nm-Skala

STEM / TEM

FIB Zielpräparation

APT

3D-Elementverteilung Korngrenzen Orientierungen FIB: Focussed Ion Beam STEM: Scanning Transmission Electron Microscope APT: Atom Probe Tomography Herbig et al: Physical Review Letters 112 (12) 2014


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Gliederung

•  Ziele

•  Ergebnisse

•  Struktur


•  Wirkung


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Prozessentwicklung und Probenherstellung

Theorie der metallkundlichen Grundlagen

Prüfmethodik und Evaluation

Entwicklung der Teilprojekte im SFB A1 2007

A7 B1

B4 C1

C6

A

C

B


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A1 2011

A10 B1

B7 C1

C9 MGK T1

Entwicklung der Teilprojekte im SFB A1 2007

A7 B1

B4 C1

C6

A4→A8

B5 B6 B7

C7 C8

C5→C9

A9 A10

Defekte & Eigenspannungen

A6

C7

C9

C10

A1 2015

A10 B1

B6 C1

C10 MGK T3 T4

T3 T4

T1-Ende

B7

personelle / inhaltliche Neuorientierung

neue Projekte

geplante Beendigung

Festkörper-NMR- Spektroskopie

Referenz-materialien

Grenzflächen

Modulintegriertes Graduiertenkolleg Transferprojekte unter industrieller Beteiligung


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Neue Teilprojekte der 3. Antragsphase A1 2015

A10 B1

B6 C1

C10 MGK T3 T4

Verformungsverhalten von mehrphasigen Stählen (Ponge, Sandlöbes)

Werkstoff- und Bauteildesign für Anwendungen in der Automobilindustrie (Bleck; Faurecia Autositze GmbH; ThyssenKrupp Steel Europe AG; Hoesch Hohenlimburg GmbH)

Einfluss der Mikrostruktur auf die Wasserstoff-versprödung in Cr-haltigen hoch Mangan Stählen (Hickel, Neugebauer; Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH)

T2 Antragstellung zurückgestellt

T3

C10

T4


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Cloud-Definition: §  Klar definierte wissenschaftliche Fragestellung §  Leitung durch Nachwuchswissenschaftler §  Herausfordernde Themen §  Flexible Zusammensetzung §  Schneller Zugriff auf num. und exp. Methoden §  Kreative, zielgerichtete Bearbeitung der Fragen

Cloud-Struktur A1 2015

A10 B1

B6 C1

C10 MGK T3 T4

Hydrogen Management

Interface Engineering

Strain Hardening Engineering


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Gliederung

•  Ziele

•  Ergebnisse

•  Struktur


•  Wirkung


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Aktivitäten im SFB

MSE 2012 Materials Science & Engineering Darmstadt, 25.-27. Sept. 2012

MSE 2014 Materials Science & Engineering Darmstadt, 23.-25. Sept. 2014

Ende 2. Phase Juni 2015

Start 2. Phase Juli 2011

Konferenzen

THERMEC 2013 Las Vegas, 2.6. Dez. 2013 MRS FallMeeting

Boston, USA 25.-30. Nov. 2012

THERMEC 2011 Quebec, 1.-5. Aug. 2011

TMS 2012 Orlando, 11.-15. 3. 2012

TMS 2013 San Antonio, 03.-07. 3. 2013

Rolling 2013 Venedig, 10.-12. 6. 2013

Aachen, 31.8.-4.9.2014

Workshops ADIS 2012 Thermodynamics & Kinetics 29.4.-4.5. 2012

ADIS 2014 Multiple Impact Of Magnetism 26.31. 10. 2014

ThyssenKrupp Ideenpark Essen 11.-23. 8. 2012

MRS FallMeeting Boston, USA 30. Nov.-5.Dez. 2014

Klausuren IBK

2015 2012 2011 2014 2013

IBK: Industrie Berater Kreis ADIS: Ab Initio Description of Iron and Steel


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Menschen im SFB – wissenschaftliche Karrieren

2011

2 Habilitationen

7 Promotionen

2015

1

10 (+7 in 2015)

2011 – 2014 Diplom- und Masterarbeiten 51 Bachelor- und Studienarbeiten 81


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Menschen im SFB – Frauenkarrieren Kontinuität TP-Leiterin

Dr. Brühl (home office) Dr. Richter Dr. Sandlöbes

Abgänge Dr. Dahmen Dr. Reeh Dr. Stratemeier

Zugänge Dr. Beig-Mohammadi (RWTH) Dr. Dey (IITG, Indien) Dr. Guo (RWTH) Dr. Kang (Uni Cambridge) Lintzen (RWTH) Mosecker (TU Dresden) Prof. Scheu (LMU München) Dr. Song (ICAMS Bochum) Wittmers (RWTH) Dr. Wong (Cornell Uni, USA)

Industrie

Gäste Dr. Brückner (Outokumpu) Dr. Limmer (Uni of Missouri)


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Menschen im SFB – Frauenkarrieren RWTH Aachen 16 % Professorinnenanteil Fakultät Georessourcen und Materialtechnik 15 % Professorinnenanteil Bachelor- und Masterarbeiten SFB 30 % Studentinnenanteil Familienförderung - 2 Frauen mit 2 Babypausen - Teilzeit für Männer und Frauen - home office - Eltern-Kind-Büro - Total E-Quality Award 2014


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Strukturmaßnahmen §  Neue RWTH Professuren Materialwissenschaft und Werkstofftechnik

§  2012 Frau Prof. Zander (Heisenberg-Professur) §  2012 Juniorprofessor Hu §  2014 Frau Prof. Scheu (gemeinsam mit MPIE) §  2015 NN „Werkstoff- und Bauteilintegrität“ §  3 „Leerprofessuren“ gemeinsam mit FZJ, DLR §  Sofja Kovalevskaya - Antrag bei der AvH-Stiftung

§  MatSE: Profilbereich Materials Science and Engineering §  Initiative StrucMat §  Profilhaus ICME §  Nanoscale Lab (APT, FIB, REM+EBSD)

§  AICES: Graduiertenschule "Aachen Institute for Advanced Study in Computational Engineering Science"

§  HPC-Initiative NRW-Antrag für „Tier 2“Hochleistungsrechencluster §  JARA: Jülich Aachen Research Alliance

§  ER-C Ernst Ruska-Centrum §  JARA-HPC Lab: Ab initio Methoden in Chemie und Physik

§  DAMASK: Düsseldorf Advanced MAterial Simulation Kit §  Open Source Toolkit für Kristallplastizität §  Nutzung durch weltweit >15 Forschungsgruppen und Industriefirmen


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Einsatz der Pauschalen Mittel

Prozessentwicklung und Probenherstellung Wechselwirkung Schmelze – ff-Material Erhöhung Blockgewicht Bauteilherstellung Probenherstellung mittels Selective Laser Melting

Entwicklung Prüftechnik Heiztisch für in-situ Texturmessungen Atomabsorptionsspektroskopie EBSD – Kamera-Upgrade GOM – Messobjektive Nanoindenter – Upgrade Upgrade 3-Punkt-Biegetisch

B1

B2

B2

C6

B4

B7

C1 C2

C3

C6


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RWTH-Studierende in der Fachgruppe Materialwissenschaften und Werkstofftechnik


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RWTH-Studierende in der Fachgruppe Materialwissenschaften und Werkstofftechnik

Neue Lehrveranstaltungen: Microstructure, Microscopy, Modelling (seit 2010) Zaefferer, Hickel, Prahl Integrative Computational Materials Engineering (seit 2014) Prahl u.a.


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Gliederung

•  Ziele

•  Ergebnisse

•  Struktur


•  Wirkung


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Vergleich Festigkeit – Umformbarkeit verschiedener Stähle

Festigkeit

Um

form

bark

eit

Hoch-Mn-Stähle (austenitische Einphasenstähle)

ferritische Einphasenstähle

ferritische Mehrphasenstähle

Mittel-Mn-Stähle (austenitische Mehrphasenstähle)

AHSS 1. Gen.

AHSS = Advanced High-Strength Steels


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AHSS 1. Gen.

Fokus zukünftiger Entwicklungen

Festigkeit

Um

form

bark

eit

+ Verfestigungsverhalten + Verformungs- mechanismen à Legierungsgehalt

+ Eigenschaftsprofil + Prozesstechnik à Grenzflächen


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AHSS 1. Gen.

Vergleich Festigkeit – Umformbarkeit verschiedener Stahlkonzepte

Festigkeit

Um

form

bark

eit

Hydrogen Management

Interface Engineering

Strain Hardening Engineering


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Nanostrukturierte Stähle

γ

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

Transformation during

deformation

Twinning during

deformation

Transformation +

precipitation

Dislocation channels by intermetallics

SLIP TRIP TWIP MBIP

SLIP: Dislocation slip TRIP: transfomation induced plasticity TWIP: twinning induced plasticity MBIP: Microband induced plasticity MMnS: Mittel-Mn-Stähle

T T T T T T T

α‘ retained γ

Bainit MMnS

à Grenzflächen Transfer✓

γ α’ à Prozess


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Vision I: Quantitatives Verständnis der Steuergrößen

bcc fcc hcp

Kristallstruktur

FM PM

Magnetisierung

SLIP TRIP TWIP MBIP

T T T T

T T

T

κ κ

κκ

κκ

κ

T κ T T T T

T T T T

T T T T T T T T

T

T

Verformungsmechanismus

Mehrphasigkeit

α‘ retained γ

γ α’


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Spa

nnun

g σ

[MP

a]

0 20 40 60 80 100 Dehnung ε [%]

TRIP Stahl

TWIP Stahl

Vision II: Individuelle Einstellung von mechanischen Kenngrößen für beanspruchungsoptimierte Bauteile

Quelle: Future Steel Vehicle, World Auto Steel Report

à  Neues Qualitätsniveau bei der Werkstoffentwicklung




“An ab initio theory of strain hardening, with a quantitative prediction of the numerical constants, is unlikely to ever be derived even for a specific case, and impossible with any generality.“ Kocks, U. F.; Mecking, H.:

Progress in Materials Science 48/3 (2003) 171–273

Projektbereiche A, B, C Cloud II, III, I Transfer

Gesamtvorstellung des SFB 761

Wolfgang Bleck, Richard Dronskowski, Gerhard Hirt, Joachim Mayer, Dierk Raabe




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