Ultrafine grained dual-phase steels

Die Entwicklung neuer Stähle richtet sich nach den stetig steigenden Anforderungen an hohe Festigkeiten und Bruchzähigkeiten bei guten Umformeigenschaften und Dehnbarkeiten. Gleichzeitig müssen möglichst kostengünstige Legierungskonzepte erdacht werden, die den technischen Maßgaben hinsichtlich Oberflächenbehandlung, Füge- und Schweißeignung sowie Recyclingfähigkeit gerecht werden. Kornfeinung ist der einzige festigkeitssteigernde Mechanismus, der gleichzeitig die Zähigkeit des Materials erhöht, also die Fähigkeit, Energie bei Versagen zu absorbieren. In den letzten zehn bis fünfzehn Jahren wurde eine Reihe von Methoden entwickelt, ultrafeinkörnige ferritisch/zementitische Stähle mit Korngrößen von 1 µm und weniger herzustellen. Diese Stähle zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit, Zähigkeit und eine schlanke Analytik aus. Aufgrund der eingeschränkten Plastizität der ultrafeinen Körner sind die Dehnbarkeiten jedoch deutlich geringer als bei grobkörnigen Materialien der gleichen Zusammensetzung. Es hat sich in früheren Untersuchungen gezeigt, dass dieser Zusammenhang für ferritisch/martensitische Dualphasenstähle nicht besteht, und die Dehnbarkeiten auch bei feineren Körnern erhalten bleiben. Allerdings sind nur wenige wissenschaftliche Veröffentlichungen auf diesem Gebiet erschienen. Vor diesem Hintergrund wird in der vorliegenden Arbeit dargelegt, wie mittels thermomechanischer Behandlung ein ultrafeinkörniger ferritisch-martensitischer Dualphasen-Stahl mit einer Ferritkorngröße von etwa 1 µm hergestellt werden kann. Die Kornfeinung wird im Flachstauchversuch durch Halbwarmumformung erzielt. Das Dualphasengefüge wird durch anschließende interkritische Glühung erzeugt. Zwei Kohlenstoff-Mangan-Stähle mit unterschiedlichem Mangan-Gehalt wurden diesem Verfahren unterzogen. Die Beschreibung der Gefügeentwicklung in Abhängigkeit verschiedener Prozessparameter unter Anwendung von Rasterelektronenmikroskopie (REM), Elektronen-Rückstreu-Diffraktometrie (EBSD) und thermodynamischen Simulationen stellt einen Schwerpunkt der Arbeit dar. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Mangan-Verteilung zwischen den Gefügebestandteilen, die einen erheblichen Einfluss auf die Korngrößenstabilität und die Härtbarkeit hat. Im zweiten Teil der Untersuchungen wird die Verteilung geometrisch notwendiger Versetzungen durch hochauflösende EBSD-Messungen untersucht. Die Betrachtung der Versetzungsstruktur ist eine entscheidende Voraussetzung dafür, die mechanischen Eigenschaften des ultrafeinkörnigen Werkstoffs zu verstehen. Auf der Grundlage von Zugversuchen und Kerbschlagbiegeversuchen werden im letzten Kapitel die mechanischen Eigenschaften untersucht. Zur Ermittlung des Einflusses der Korngröße auf die mechanischen Eigenschaften werden ein feinkörniges und ein grobkörniges Vergleichsgefüge derselben chemischen Zusammensetzung hergestellt. Außerdem wird der Einfluss einer Wärmebehandlung bei 170 °C (Bake-hardening-Effekt) auf die mechanischen Eigenschaften des ultrafeinkörnigen Stahls untersucht. Mittels REM und EBSD wird gezeigt, welchen Einfluss die Kornfeinung und der Bake-hardening-Effekt auf die Verformungs- und Bruchmechanismen haben.