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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





22Gliederung

Schritte der Werkstoffentwicklung

26 55,85

Fe7,87 1808

23Wissenschaftliches Konzept

Skalen der Modellierung

σ

ε

σ


Neuer Ansatz: Parallelität von Werkstoffentwicklung und Modellierung

σ

ε

26 55,85

Fe7,87 1808


Theorie der metallkundlichen GrundlagenA

ε

σ

ε


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


Prozessentwicklung und ProbenherstellungB

• Werkstoffsynthese

• Modellierung kritischer Teilschritte

• Validierung

2626 55,85

Fe7,87 1808

29Methodik im Projektbereich B

Prüfmethodik und EvaluationC

σ

ε

σ


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


Stahl ab initio





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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