The microstructural break down: the effect of initial grain size

Publikationen: Thesis / StudienabschlussarbeitDissertation

Organisationseinheiten

Abstract

Für Stahlproduzenten ist die Herstellung von qualitativ hochwertigen Werkstoffen ein Hauptziel. Das Einstellen einer definierten Mikrostruktur bei möglichst niedriger Anzahl von Einschlüssen kann als Schlüssel zu guten mechanischen und physikalischen Eigenschaften gesehen werden. Durch das Umschmelzen erreicht man reinere Werkstoffe mit niedriger Einschlussdichte und homogenerer Mikrostruktur als bei konventionellen Gusswerkstoffen. Bedingt durch ausgeprägte Textur und grobkörnige Struktur sind die mechanischen Eigenschaften verbesserungsfähig. Für spezielle Werkstoffgruppen, welche über keine Phasenumwandlung im Festen verfügen (Ni, Cu, Al, Gamma-Eisen), kann nur über einen Warmumformprozess eine homogene und feinkörnige Mikrostruktur eingestellt werden. Das Feinen und Homogenisieren der Ausgangsstruktur setzt ein hohes Maß an Verständnis der zugrunde liegenden metallphysikalischen Prozesse wie Erholung und Rekristallisation voraus. Ziel dieser Untersuchung ist es durch die Charakterisierung der Einflussfaktoren Ausgangskorngröße und Umformparameter ein tieferes Verständnis über den Kornfeinungs- und Homogenisierungsvorgang zu erlangen. Untersucht wurden die Werkstoffe Reinnickel und eine austenitische FeCrNi Legierung, Marke Böhler A220 mit Ausgangskorngrößen vom µm bis mm-Bereich. Die Entwicklung und die experimentelle Erfassung der Verformungsstruktur, sowie die Analyse des Potentials mit Hilfe kristallplastischer Finite Elemente Modelle die Kristallfragmentierung zu beschreiben, waren wesentliche Punkte dieser Arbeit. Beide Werkstoffe zeigen während der Verformung bei höheren Umformtemperaturen in ihrem Entfestigungsverhalten das Auftreten von dynamischer Erholung und dynamischer Rekristallisation sowie einen starken Einfluss der Ausgangsmikrostruktur auf die weitere Strukturentwicklung. Die Variation der Ausgangskorngröße zeigt, dass in gröberen Ausgangsstrukturen die Rekristallisation verlangsamt und erst bei höherer plastischer Verformung einsetzt. Durch diese Änderung der Korngröße verringert sich die potentielle Keimstellendichte und die gespeicherte Verformungsenergie an diesen Stellen ist geringer, wodurch der Drang zur Neubildung des Gefüges abnimmt. Als Keimstellen des diskontinuierlichen Rekristallisationsprozesses dienen meist die ursprünglichen Korngrenzen, deren Beweglichkeit eine notwendige Eigenschaft zum Einformen eines Keims ist. Charakteristisch für das Formen eines Korns ist die Beweglichkeit und das Krümmen der Korngrenze, sowie die Bildung eines Glühzwillings. Das Zulegieren von Elementen, typisch für technische Werkstoffe, verringert die Korngrenzenmobilität und erschwert die Keimbildung. In sehr grobkörnigen Ausgangsstrukturen dienen aufgrund der niedrigen Korngrenzendichte auch strukturelle Inhomogenitäten im Korninneren (Verformungsbänder, Subkorngrenzen) als Keimstellen. Es konnte in dieser Arbeit erstmals deutlich gezeigt werden, dass im Werkstoff Reinnickel die dynamisch rekristallisierte Korngröße sehr stark von der Ausgangsstruktur abhängt. Die kristallplastische Modellierung der Strukturentwicklung mit Finite Elemente Modellen, welche auf der Versetzungsplastizität beruhen, zeigt - unter der Berücksichtigung von der Kornorientierung, Probengeometrie und den Randbedingungen der Verformung - dass Dehnungsgradienten und Starrkörperrotationen richtig wiedergegeben werden können. Das Potential dieser Modelle liegt in der Vorhersage von Verformungsinhomogenitäten, welche von Kornwechselwirkung oder Probengeometrie verursacht werden. Die auf der Versetzungsstruktur beruhende Fragmentierung eines Kristalls zeigt klar die Grenze dieser Modelle. Durch eine leichte Modifikation des Modells, indem man einen strukturellen Längenmaßstab einführt und Gleitsysteme gezielt ausschaltet, ist es möglich die kristallographische Fragmentierung zu beschreiben.

Details

Titel in ÜbersetzungKornfeinung bei der Warmumformung: Der Einfluss der Korngröße
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Clemens, Helmut, Beurteiler B (intern)
  • Pippan, Reinhard, Beurteiler A (intern)
StatusVeröffentlicht - 2011