Mechanische Eigenschaften hochmanganhaltiger Stähle

 

Die Hauptziele des Teilprojektes C2 im Sonderforschungsbereich 761 „Stahl – ab initio“ sind (i) die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften hochmanganhaltiger Stähle (HMnS), (ii) die Entwicklung und Anwendung neuer Prüfmethoden und (iii) die Vorhersage der Materialeigenschaften auf Basis von ab initio Berechnungen.

Die Materialkennwerte zeigen dabei im Zugversuch eine deutliche Abhängigkeit von der Prüftemperatur und der Umformgeschwindigkeit. Die hohen Verfestigungswerte sind für die ausgezeichnete Kombination von Duktilität und Festigkeit in einem großen Temperatur- und Verformungsgeschwindigkeitsbereich verantwortlich. Dadurch ergibt sich ein ausgeprägt hohes Energieabsorptionsvermögen, das die Anwendung in der Automobilindustrie attraktiv macht.

Die hohen Verfestigungsraten werden durch den TRIP- (TRansformation Induced Plasticity) und TWIP-Effekt (TWinning Induced Plasticity) erreicht, die durch die materialspezifische Stapelfehlerenergie (SFE) gesteuert werden.

Da die Temperatur die SFE maßgeblich beeinflusst, weisen die hochmanganhaltigen Stähle in Abhängigkeit der Prüftemperatur ein unterschiedliches Verfestigungsverhalten auf. Die Stapelfehlerenergie kann auf Basis der Legierungszusammensetzung variiert werden.

Ein weiteres besonderes Merkmal der HMnS ist der sägezahnartige Verlauf der Fließkurve im Spannung-Dehnung-Diagramm aufgrund ausgeprägter lokaler Verformung. Bei einigen Legierungen kann dieser Effekt bereits bei Raumtemperatur beobachtet werden. Um das lokale Verformungsverhalten beschreiben zu können, wurden lokale Dehnungsmessungen und Infrarot-Thermographie kombiniert. Somit konnten lokale Verformungstemperaturen und –geschwindigkeiten quantifiziert werden.

Der DSA-ähnliche Effekt bei HMnS könnte auf die temporäre Behinderung der Versetzungsbewegung durch einen Versetzungsaufstau vor kristallographischen Nahordnungsphänomenen (Short Range Ordering – SRO) zurückgeführt werden. Es wird angenommen, dass die Zerstörung der nahgeordneten Cluster aus Kohlenstoff, Mangan und Aluminium durch das Schneiden der Cluster infolge von Versetzungsbewegungen auftritt. Gemäß aktuellem Forschungsstand scheint dieser Vorgang reversibel zu sein, da die Beweglichkeit der Kohlenstoff-Atome ausreichend ist, um über kurze Distanzen zu springen und so die Nahordnung wiederherzustellen. Die resultierende Abfolge aus Spannungsanstieg und Spannungsabfall führt so zu dem charakteristischen sägezahnartigen Verlauf der Fließkurve.

Bei hochmanganhaltigen Stählen mit hoher Stapelfehlerenergie ist ein ausgeprägtes planares Versetzungsgleiten bei gleichzeitiger Unterdrückung des TWIP- und TRIP-Effektes zu beobachten. Dieses Werkstoffverhalten wurde bislang als Resultat einer Gleitebenenentfestigung infolge der Zerstörung der SRO-Cluster verstanden. In einigen Untersuchungen konnte die Ausbildung paralleler Scherbänder und Versetzungszellen während der Umformung beobachtet werden. Daher wurden die Werkstoffe mit diesem Verformungsmechanismus als MBIP-Stähle bezeichnet (MBIP – Microband Induced Plasticity).