Impact of second phase precipitation and solute drag effects on austenite grain growth

In den Prozessen der Metallurgie spielt die austenitische Mikrostruktur eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Materialeigenschaften. Ein grobes Gefüge kann zu Problemen wie Rissen in der Brammenoberfläche beim Stranggießen, Versprödung und Heißrissen führen. Um diese Risiken zu mindern und die mechanischen Eigenschaften zu verbessern, ist eine Verfeinerung der Mikrostruktur unerlässlich. Das Austenitkornwachstum (AGG) wird durch mehrere Mechanismen gesteuert, die mit der chemischen Zusammensetzung und der thermischen Historie korrelieren.
Der Schwerpunkt dieser Dissertation lag auf der Untersuchung des Austenitkornwachstums und der Entwicklung eines Modells zur Vorhersage dieses Prozesses. Es wurden in situ HT-LSCM-Experimente bei Temperaturen von 950 °C bis 1350 °C durchgeführt, um das Kornwachstum in verschiedenen Legierungen zu beobachten. Die mikrostrukturelle Quantifizierung erfolgte mit dem Linienschnittverfahren nach ASTM E112. Die gewonnenen Daten wurden in ein Modell aufgenommen, das die Hemmwirkung vom Lösungswiderstand von gelösten Elementen und Pinning-Kräften durch Partikelausscheidungen berücksichtigt. Zu den Schlüsselfaktoren gehören die Korngrenzenmobilität (GBM), die Bindungsenergie E_0 von Verunreinigungen an den Korngrenzen und die Pinning-Kraft P_Z von Ausscheidungen.
Zunächst wurde hochreines Fe (99,98 %) untersucht, um die intrinsische GBM von reinem Austenit zu bestimmen. Es wurde gezeigt, dass eine Erhöhung der Glühtemperatur zu einer höheren GBM führt, die einer Arrhenius-Korrelation folgt.
In Fe-P-Legierungen wurde der Lösungswiderstand von P untersucht, der die GBM verringert und die Kornwachstumsraten verlangsamt. Im Modell wurde dieser Effekt durch den Parameter E_0 quantifiziert.
Untersuchungen an Fe-C-Legierungen ergaben, dass selbst Spuren von S einen starken Lösungswiderstand verursachen. Bei niedrigen C-Zugaben hatten diese keine signifikanten Auswirkungen auf die GBM, aber ab einem bestimmten Schwellenwert von C wurde S effektiv von den Korngrenzen verdrängt, was die GBM erhöhte und der intrinsischen Mobilität von reinem Fe annäherte. Diese Ergebnisse wurden durch DFT-Berechnungen unterstützt, die die Konkurrenz von S und C an den Korngrenzen aufzeigten.
In Fe-C-P-Legierungen zeigte sich, dass der Lösungswiderstand von P durch C abgeschwächt wird, wodurch die GBM erhöht wird. Fe-C-P-Legierungen mit ähnlichem P-Gehalt wie Fe-P Schwesterlegierungen wiesen eine höhere GBM auf. Die Zugabe von 0.20 Gew.-% C unterdrückte den P-induzierten Lösungswiderstand bei hohen Temperaturen und förderte das Kornwachstum. DFT-Simulationen bestätigten, dass C und P an den Korngrenzen konkurrieren und C die Wirkung von P abschwächt, indem es dessen Seigerung verringert. Die enge Übereinstimmung zwischen Experimenten und Simulationen stützt den vorgeschlagenen Mechanismus.
Zusätzlich wurde die Rolle von Nb(C,N)-Ausscheidungen auf AGG in Fe-C-Nb-N-Legierungen untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass Nb(C,N) das Kornwachstum bei Glühtemperaturen wirksam verhindert. Mit zunehmender Glühtemperatur vergröbern sich die Ausscheidungen jedoch, wodurch ihre Pinning-Kräfte verringert wurden und das Kornwachstum wieder zunahm.
Die entwickelte Methodik nutzt in situ HT-LSCM-Experimente zur Beobachtung des Austenitkornwachstums. Die gewonnenen Daten wurden zur Parametrisierung von Lösungswiderstand und Pinning-Effekten in einem Mean-Field-Modell für das Austenitkornwachstum verwendet. DFT-Simulationen zur Berechnung der Seigerungstendenzen von Verunreinigungen an den Korngrenzen wurden als Parameter in einem separaten Mean-Field-Modell eingesetzt. Eine wichtige Errungenschaft dieser Arbeit ist die starke Übereinstimmung zwischen den Vorhersagen beider Modelle, was die Gültigkeit der entwickelten Methodik bestätigt. Dieser Ansatz bietet eine robuste Parametrisierungsmethode für Kornwachstumsmodelle, insbesondere für industrielle Anwendungen. Das Modell kann helfen, Mikrostrukturen zu optimieren, z. B. beim Stranggießen, und zur Herstellung hochwertigerer Brammen mit weniger Oberflächenfehlern und Rissen beitragen.